汽車拉延模具類鑄件澆注工藝設(shè)計及數(shù)值模擬

汽車拉延模具類鑄件澆注工藝設(shè)計及數(shù)值模擬

拉延壓模型用于汽車內(nèi)部和外部覆蓋的鋼板的沖裝。在汽車壓延中，拉延模型表面的主要荷載是荷載和摩擦，主要是在壓板和模型的之間。因此，要求該類型鑄件具有較好的抗沖擊和耐磨損性能，通常需要對拉延型面進行表面淬火硬化及鍍Cr等處理，從而保證模具具有沖壓鋼板200萬次以上的能力。由于汽車模具的各異性，每款車型基本僅需要一套沖壓模具，因此，適用于批量生產(chǎn)的木模工藝不適用于該類模具的制作。針對汽車模具的特性，筆者公司采用泡沫實型鑄造，并使用呋喃樹脂砂造型工藝進行鑄造生產(chǎn)。1模具鑄件與鑄件的壓型面汽車車門內(nèi)板沖壓模具的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料牌號GGG70L，最大外形尺寸3140mm×2400mm×880mm，鑄件質(zhì)量11250kg，模具鑄件的沖壓型面厚度80mm，最小壁厚40mm。沖壓型面不允許出現(xiàn)任何鑄造缺陷，如縮松、夾渣等。為保證型面的淬火硬度在52HRC以上，客戶要求：型面珠光體體積分數(shù)達到80%以上，模具四角的吊耳結(jié)構(gòu)為安全部位，其內(nèi)部不允許存在縮松缺陷。2雕塑工藝設(shè)計2.1澆注模具型面采用泡沫實型鑄造，鑄件無需做分型面設(shè)置。根據(jù)產(chǎn)品特性及使用要求，將該模具鑄件沖壓型面朝下進行澆注，能更好地保證其型面質(zhì)量。同時，為了一定程度地減少型內(nèi)二次渣產(chǎn)生，采用底注式澆注系統(tǒng)，澆道比為∑F2.2熱節(jié)區(qū)域冷卻條件優(yōu)化將鑄件三維導入到鑄造CAE模擬軟件中進行凝固分析，得到熱節(jié)分布位置，以便科學地設(shè)置冷鐵工藝。圖2為鑄件的熱節(jié)分布情況，可見，該沖壓模具四處吊耳結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)熱節(jié)，模擬結(jié)果顯示，熱節(jié)中心位置冷卻時間為9007s，沖壓型面部位熱節(jié)冷卻時間為8565s。熱節(jié)會導致鑄件組織粗大，即使對于具有自補縮能力的鑄鐵件，也容易產(chǎn)生縮孔、縮松。沖壓型面作為極其重要的工作面，不允許出現(xiàn)縮松、夾渣鑄造缺陷，同時還需保證足夠的珠光體體積分數(shù)，金相組織不得過于粗大。因此，在熱節(jié)位置設(shè)置隨形冷鐵，如圖3所示，圖中藍色塊狀為隨形冷鐵，其材料牌號為HT300，尺寸約100mm×150mm×80mm。對于吊耳結(jié)構(gòu)類型的內(nèi)部熱節(jié)，應著重考慮設(shè)置補縮冒口的方式來防止該位置縮松缺陷。3鐵液注入方案優(yōu)化考慮到泡沫實型鑄造產(chǎn)生的殘渣量比普通其他鑄造方式更多，因此，優(yōu)先采用底注式澆注系統(tǒng)，避免型內(nèi)紊流產(chǎn)生二次氧化渣，以降低殘渣總量。共設(shè)計二種鐵液注入方式：方案一由鑄件底部的兩側(cè)面注入，鐵液平行于型腔底面方向進入到型腔內(nèi)部，如圖4所示；方案二由鑄件底部直接注入，內(nèi)澆道均勻設(shè)置在鑄件沖壓模具型面的四周，鐵液沿重力反方向進入型腔，如圖5所示。方案一及方案二兩者的內(nèi)澆道總面積一致。3.1cae軟件前處理參數(shù)的配置為保證鑄造工藝的科學合理性，采用CAE軟件對鑄造過程進行模擬分析3.2方案二：壓面溫度分布圖6為2種澆注工藝方案的充型過程對比圖。由圖6(a）～圖6(c）可見，方案一澆注充型至8.2%，鐵液由澆注系統(tǒng)進入型腔，初始速度較快，可以看到明顯的液流噴射，此外，藍色線圈標記位置鐵液對鑄件沖壓模型面?zhèn)冗吘哂幸欢ǖ臎_擊作用，這可能會增大型面出現(xiàn)涂料破裂和氧化夾雜等鑄造缺陷的幾率；充型至14.7%時，型腔內(nèi)兩側(cè)液流對沖，但未產(chǎn)生較大的鐵液飛濺；充型21.2%后，型腔上層鐵液流動基本趨向平穩(wěn)，線圈標記結(jié)構(gòu)鐵液沖向最低結(jié)構(gòu)位置產(chǎn)生一定程度的紊流現(xiàn)象。由圖6(d）～圖6(f）可見，相比于方案一，方案二在充型8.2%時鐵液進入型腔更平穩(wěn)一些，未出現(xiàn)明顯飛濺；充型至14.7%，未出現(xiàn)明顯紊流；充型至21.2%，受型腔結(jié)構(gòu)影響，鐵液沖向最低結(jié)構(gòu)位置，產(chǎn)生一定紊流現(xiàn)象。圖7(a）為方案一沖壓面溫度分布，對照圖左上方比色條，可大致看出鑄件的溫度分布情況，可見，充型完畢后沖壓面溫度范圍基本在1140～1370℃；圖7(b）中方案二沖壓面溫度范圍約為1150～1350℃。方案一沖壓面藍線圈標記處溫度較方案二更為接近臨界固相溫度，冷隔等過冷缺陷出現(xiàn)的概率較大。雖然沖壓面溫度相對較低，有利于降低其縮松缺陷概率，但需確保沖壓面無其他新的缺陷。因此，方案二的澆注系統(tǒng)更適合于該鑄件的結(jié)構(gòu)特征。3.3初始冷鐵工藝方案優(yōu)化結(jié)果為保證鑄件均衡凝固，使熱節(jié)沖壓型面四周R角位置優(yōu)先冷卻，在熱節(jié)位置設(shè)置冷鐵。圖8為鑄件凝固過程模擬結(jié)果，沖壓模型面R角在冷鐵激冷作用下率先凝固。鑄件凝固至82%時，R角結(jié)構(gòu)處已完全凝固，在鑄件沖壓面中部形成孤立液相區(qū)。如圖8(c）所示，沖壓面中部及四周吊耳結(jié)構(gòu)位置為最后凝固區(qū)域，如該類區(qū)域補縮不足，則容易出現(xiàn)縮松缺陷。通過對初始冷鐵工藝方案進行縮松模擬分析，模擬結(jié)果如圖9所示。在冷鐵的激冷作用下，沖壓型面R角位置無縮松傾向，但沖壓型面中部位置出現(xiàn)縮松情況，如圖9(a）中藍色線框所示，此外鑄件頂部出現(xiàn)嚴重的縮孔情況，如圖9(b）所示。以上2種情況可以采用工藝優(yōu)化的方式規(guī)避可能出現(xiàn)的鑄造縮孔缺陷。優(yōu)化冷鐵工藝，同時在鑄件頂部設(shè)置補縮冒口后，縮松情況有明顯改善，如圖10所示。模具鑄件的沖壓型面無縮松情況，縮松基本處于沖壓型面背面的加強筋內(nèi)部。另一方面，鑄件頂部縮孔基本處在補縮冒口內(nèi)部，鑄件內(nèi)部無集中縮孔的情況。4吊耳、養(yǎng)殖的超聲檢測與對比采用該工藝生產(chǎn)的鑄件工藝出品率為92.8%，經(jīng)去應力退火后其鑄件狀態(tài)如圖11所示，對吊耳結(jié)構(gòu)位置做超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)異常?？蛻魧_壓面做機加工后未反饋型面存在縮松等其他形式的鑄造缺陷。附鑄試棒的力學性能及金相組織如表1所示，其金相組織及力學性能要求完全滿足客戶的使用要求。5汽車沖壓機注意事項(1）汽車沖壓模具類鑄件采用泡沫實型鑄造的方式，充型過程中會產(chǎn)生較多的殘渣，因此，盡量選擇平穩(wěn)的澆注方式，有利于殘渣的控制。(2）沖壓