文：C3P国际工程软件中国技术支持中心 周剑
摘要：大尺寸梁形铝合金压铸件广泛应用于汽车船舶等诸多工业领域，此类压铸件制品常见显著变形与尺寸超差，且变形集中体现为铸件两端向流道侧弯曲成弓形。利用Cast-Designer铸造设计模拟软件的有限元应力求解模块，针对梁形压铸件的凝固冷却过程进行仿真分析，验证了其弯曲变形趋势和尺寸超差数值，揭示了造成弯曲变形与流道冷却速率相关的内在机理，并提出了减轻变形的对应策略。
关键词：铝合金，高压铸造，变形，弯曲，有限元分析，Cast-Designer
前言
大尺寸梁形铝合金压铸件广泛应用于汽车船舶重工等诸多工业领域,此类压铸件在实际生产中常见显著变形与尺寸超差,其变形特征为铸件两端向流道侧(下方)弯曲。利用Cast-Designer铸造设计与模拟软件，验证了该变形，分析了产生该问题的原因，提出并通过软件模拟验证了改善策略。
1、生产试模
某船用驾驶舱仪表板梁形铝合金压铸件，含流道与溢流槽的尺寸为1475x450x96mm，铝合金材料A356，固相线为556℃，液相线为616℃，平均模温为200℃，开模时间为第25秒。现场多批次试模结果实际制品出现两端向下的严重弯曲和尺寸超差。通过调节冷却水路，延长或开模时间，以及改善冷却喷涂等措施，均收效甚微，铸件两侧远端尺寸超差从5mm 至9mm不等。
2、仿真验证
采用Cast-DesignerV7.4版本进行凝固和应力变形仿真，将含流道与溢流槽在内的整体铸件划分为41452个六面体单元，材料应力本构为弹塑性，线膨胀系数为温度线性函数2.19E-5（40℃），2.31E-5（615℃）。设置开模时间为25秒，计算终止条件为铸件与流道温度下降至室温20度。铸件流道与空气间热交换系数设置为100 W/(m2K)，与模具热交换系数为2000 W/(m2K)。
为了准确分析位移量，以料饼圆心为基点（0，0），因两端对称，故仅取右端点P坐标（700，-360）为位移监测点，见图1。
2.1模拟结果
铸件和流道开模前受限于模具的刚性约束，并无显著变形。开模顶出时刻（第25秒）开始，铸件两端向溢流槽方向（向上）弯曲，该趋势与最终变形趋势正好相反（在如下位移曲线图中为负值）。
在第59秒，铸件两端纵向变形量达到最大值（-3.2mm），此后变形量开始缩小，与铸件两端开始流道侧弯曲，在194秒，远端纵向位移量重归零点附近，此后位移量持续上升，在944秒时趋近并稳定于7mm左右,见表1。P点的完整位移时间曲线见图2;
铸件与流道整体在第59,194,944秒三个时刻的变形趋势见图3*。(注:*代表该图所示零件变形效果经过10倍效果,以便观察变形趋势效果)
2.2 结果分析
从模拟结果可见，铸件两侧远端端点的纵向变形位移呈现非线性变化。造成这一现象的内因是铸件与流道（主要是与梁形铸件几乎等长的横浇道）的冷却速率不同导致[1]。取铸件温度检测点P1，流道温度监测点P2，见图4.1；在前期（0-59s）阶段，铸件区域的冷却速率大于流道区域，其收缩幅度大于流道部分，但收缩受限于流道的约束，导致整体铸件向上弯曲。在59s前后，铸件P1点和流道P2点的温度差达到最大值，见图4.3。此后，铸件的冷却速率开始低于流道部分，P1与P2温差逐渐缩小，流道的收缩幅度开始大于铸件，从而带动铸件两端开始向下弯曲，最终呈现944s处的变形形态。
纵观铸件流道整体温度场，亦可见在整个凝固与冷却过程中，铸件先于流道冷却，见图5.1-5.3。
2.3改进方案
基于上述变形的内因分析，问题根源在于流道热量集中，凝固冷却严重滞后于铸件区域，因此减少流道热量集中，提高流道散热应有利于缓解梁形铸件的两端纵向尺寸超差。通过观察原始流道设计，注意到横浇道的高宽比较大，见图6。此截面设计必将造成较大的热模数，不利于流道散热。因此考虑通过改变高宽比，调整为更扁平的流道，将获得更小的横流道热模数，有利于增加流道的散热。
改进方案建议如下：
(a) 改进方案一，在原横浇道高宽比降低为一半，获得更扁平的流道进行模拟验证。
(b) 改进方案二，在方案一流道设计基础上，将流道在空气中冷却的热交换系数提高一倍，以近似模拟针对流道局部的吹风冷却效果。
3、改进方案模拟
重新进行上述两个改进方案的模拟验证，最终铸件最大纵向变形量结果见表2。
从表２可见，改进方案二最大纵向位移量最低。各方案整体变形效果见图7*。(注:*代表该图所示零件变形效果经过10倍效果,以便观察变形趋势效果)
4、结论
梁形铝合金压铸件容易呈现两端向流道侧弯曲变形，根源在于铸件与流道的冷却速率差异，造成两端位置位移的非线性变化。
尽可能令流道特别是横浇道部分的冷却速率接近于零件部分，两者在同一时刻的温差越小，越有利于减少最终产品的变形量。
通过改变流道高宽比，采用更扁平的横浇道设计，改善流道横浇道部分在模内以及开模后的散热，均利于降低梁形压铸件的变形与尺寸超差。
