文：Jonathan Wedler ， Carolin Korner，Erlangen

压铸工艺在铸造工业中已经发展得非常成熟。但仍存在一些挑战，例如，模具填充的整个控制过程。提供关于填充水平和填充过程中的熔化条件的详细信息，对于优化生产零件的工艺和质量非常重要。模具为不透明材质、高压和高温，使得无法直接观察模具填充。

数值模拟有助于可视化熔体流动以及模具填充过程中的热状况。然而，通过这种方式，在每件铸件的生产过程中不可能真正实现实际的模具填充。在生产过程中，如果直接在腔体内合适的位置安装传感器，便可以收集模具填充信息。本文通过实验传感器数据和数值结果的比对，分析了在高压铸造（HPDC）过程中观察模具填充的可能性。

传感器数据描述了铸造周期中模具填充的水平。能够将模具填充描述为实验工艺参数的函数，如循环时间、冲头位置、坩埚温度、浇注重量和铸件厚度。

1、引言

高压铸造（HPDC）是一种复杂形状薄壁组件的理想制造工艺。可以生产出满足复杂要求的铸件。高压铸造具有周期短、成本效益高的优点，使得高压铸造得以广泛应用，近年来轻金属铸造领域的发展关注于提高铸件的功能性。例如，可以通过创新铸造合金、精细结构、混合设计或集成电子组件来实现。

Schwankl等人制造的混合组件，展示了基于高压铸造的变形铝-铸铝复合铸件的制造。这项研究使得制造具有局部可调机械性能的复合结构成为可能，Dumstorff等人提出了一种创新的方法，在智能组件领域，传感器直接集成在铝部件中， 他们将传感器及其电气连接装置打印在铝板上，并使用高压铸造将其集成到铝铸件中。所提出的智能组件能够提供应变和温度数据。除了材料科学方面的挑战，例如铸造合金和集组件之间的粘结。

完全控制铸造过程，尤其是模具填充也很重要。根据铸件厚度和铸模温度，典型的模具填充处理时间在10ms到100ms之间。关键的成形过程就在这么短的时间内完成。因此，详细了解填充过程是非常重要的。不透明的模具妨碍直接观察模具。解决这一难题的方法是用数值模拟来描述模具填充过程。这种方法已经在铸造工业中得到了应用。

Sun等人给出了用数值方法描述薄壁铝合金压铸件模具填充能力的实例。Dérum等人使用商用软件研究铝硅压铸件的结构行为。如Flow-3D™，使用基于数学-物理模型模拟模具填充。由于真实复制模具，通过输入铸造参数和设置边界条件，可以表示模具填充过程。

然而，数值模拟方法主要用于铸造或模具的设计和优化。不能从铸造周期的模拟中得到实际信息。这项任务的预定目标是使用合适的传感器，以便在模具填充过程中监测熔体前沿的流动。

本文旨在发展对模具填充行为的认识，并将其与加工时间相关联。为此，压铸过程配备了一个传感器系统，允许在经过时检测模具中两个位置的熔体。将实验数据与数值结果进行比较，验证模具填充数据的有效性。该技术可用于开发时关键的工艺任务，例如模具中滑块的时间临界运动。

2、材料和方法

2.1 铸造设置和参数

铸造实验用冷室高压铸造（HPDC）装置DAK 450-54（Oskar Freeh GmbH&Co.KG），其最大锁模力为458吨。在模具填充过程中，熔体以2 ms-1的最大压压射速度加速。为了降低气体和凝固孔隙率，在模具中使用了真空系统（Fondarex VacupacMe-dioP），并施加了740巴的保压压力。铸造合金是226D-AlSi9Cu3 （Fe），熔体温度为740℃和700℃（液相线和固相线温度分别为593℃和521℃）。通过在2.5mm、4.5mm和6.5mm之间改变铸模嵌件来改变铸件的厚度（I=178 mm，w=178 mm）。每个铸件厚度的浇注重量为1299克（2.5毫米）、1402克（4.5毫米）和1496克（6.5毫米）不等。每种铸件厚度的浇注重量在±2%的范围内变化。这是目前使用的全自动铝真空加料炉的测量精度。为了保证可比性，所有零件的模具填充参数都保持不变。在加工中中，对于每个参数，制作了6个样本并进行了评估。

2.2 数据记录

在实验中采用数据记录系统，来了解压铸过程中的模具填充过程。该系统由集成在压铸模中的传感器和耦合测量系统组成。

2.2.1 金属前接触传感器

为了检测熔体位置，两个来自ELECTRONICS GmbH（德国）的金属前接触传感器被放置在动模侧（图1）。每个传感器连接到评估装置（ISA 1.Electronics GmbH）。接着，评估装置连接到负极和模具。在传感器导线与模具隔离的基础上，当铝液与传感器导线和模具接触时，铝液使电路闭合。图1显示了熔体通过传感器导线时的示例。MFCS-1的评估单元将信号设置为“高”。

2.2.2 测量系统

为了记录每个铸件的工艺参数，在工艺过程中建立了测量系统。该系统允许压铸机的信号状态与模具外传感器信号在一个时间交接。本系统详细描述依赖于工艺时间的模具填充。图2显示了相关组件之间的交互（示意图）。

可编程逻辑控制器（PLC）解释来自压铸机和MFCSs的不同输入信号，并为多功能I/O设备提供信号。在由操作员启动的铸造周期开始后，LabVIEW程序每ms将I/O设备输入的信号状态记录在数据文件中。表1详细显示了自动记录的工艺参数。

2.3 数值模拟

利用商业计算流体动力学软件Flow-3DTM（Flow Science Inc.，Santa Fe，NM，USA）对模具填充进行了数值研究。模拟模型包括冲头、压射室、流道/浇注系统、腔体和三个传感器（作为关注点），用于检测模具填充过程中到达的铝液（图3）。模拟的物理参数基于Klassen等人的研究。模拟从冲头的加速度开始。因此，假设铝液在投加工艺步骤之后完全静止。模具温度设定为160℃，流体温度为700℃和740℃。模拟用冲头的速度分布调整为实验中使用的压射曲线（图3a）。

3、结果与分析

下面的章节将对上述方法在模具填充研究中的结果进行说明和分析。结合实验数据和数值数据，将绘制出一幅详细的模具填充图。

3.1 数值模拟

图4显示了铝液第一次接触MFCS-1和MFCS-2的时间间隔。铝液初始温度和铸件厚度不同。模具填充过程中铝液初始温度对熔体位置没有影响。

另一方面，可以检测到不同壁厚的影响。不同壁厚的浇注重量导致不同的处理时间。为了详细地进行分析，图5示例性地显示了铝液初始温度为740°C，壁厚分别为2.5mm和4.5mm的铸件的实验数据。结果表明，传感器系统能够检测到浇注重量的变化。因为浇注曲线（冲头加速度）没有因随浇注重量的变化而变化，因此可以进行比较。在铸造设置下，浇注重量大约100g的变化会导致传感器信号边沿偏移10ms。

传感器信号会随浇注重量的变化而变化，是因为压射室和流道系统的容积是固定的，不会随壁厚的变化而变化。结果就是，对于较轻的浇注重量，冲头必须推进更长的距离，直到压射室和流道系统被完全充满以及铸件的模具填充开始。可以从图6中看出这种相关性，结果就是浇注重量越重，熔体位置检测的处理时间就越早。

冲头加速度也有微小差异，导致不同铸件的信号会存在一定的变动。表2详细显示了传感器信号的平均测量值。除了传感器信号会因浇注重量发生偏移之外，在模具填充过程中，壁厚对熔体前沿的速度也有影响。从MFCS-1到MFCS-2所需熔体前沿时间从针对壁厚6.5mm铸件的6ms（±5）增加到针对壁厚2.5mm铸件的10ms（±4）。这可能是由于较薄铸件凝固时间的减少。如果铝液中的固相形成较快，可能导致流速降低。此外，填充的类型可以影响铝液在两个传感器之间的时间。它区分逆向填充和正向填充。逆向填充产生自由射流，它从腔体的相反侧反弹，然后反过来填充模具。在正向填充过程中，从浇口开始填充腔体。根据边界条件，如壁厚或浇口设计，会出现混合形状。然而，应该注意到，填充方式造成的时间差异是微乎其微的，根据处理时间对冲头压力进行评估将有助于给出进一步的解释。

3.2 数值数据

进行流体流动模拟将铸件制造过程中模具填充过程可视化。为此，该模拟使用的传感器包括实验中可用的传感器和一个附加传感器（置于浇口）（见图3）。由于设计原因，放置在内浇口的传感器不能用于实验中。

结果如图7所示，显示了铝液首次接触传感器的时间。铝液通过放在内浇口处的传感器时，第一个信号（模具填充开始）被触发。MFCS-1和MFCS-2是本实验中使用的金属前接触传感器。达到中止准则“腔体已100%填充”时模拟停止，“模拟完成”信号被触发。图7所示的计算的过程时刻与实验数据相类似。壁厚增加，传感器信号出现在较早的处理时间。这种变化也可以归因于浇注重量的差异。图8详细显示了铝液初始温度为740℃，铸件壁厚分别为2.5mm和4.5mm的铸件的处理时间与传感器信号之间的联系。模拟结果和实验结果都表明，浇注重量100g的变化，将会导致信发生10ms的偏移。

此外，要考虑到在模拟结果的评估中，很难对热状况进行检测。然而，热状况对熔体的流动特性有一定的影响。为了减小影响，在实验中以及在模拟中都对熔体进行了强烈的过热处理。这样可以延迟过程中固相的形成，并有助于结果的稳定性。结果表明这一假设是有效的。对于所考虑的组件，模拟时间差在实验确定的标准偏差范围内（表3）。与实验结果相比，MFCSs之间的时间差并不随壁厚的减小而增大。这可能表明，该模型必须调整以适应与热状况有关的相对较薄的壁厚。由于所用组件的惯性，模拟与实验相比较，存在约30ms的小延迟。这可以通过测量传感器信号“柱塞处于启动位置”通过压铸机到通信接口的过渡时间来确认。这就造成了铸件柱塞的启动与到达测量系统的延迟。MFCS的信号不受影响。

3.3 结合实验数据和数值数据

在实验数据和数值模拟结果的基础上，对模具填充过程进行了详细的再现。通过这种方式，可以将来自每个单独铸件的实验数据与模拟的可能性联系起来。可在实验中检测到的热依赖性可以在模具填充的描述中说明。该模拟可用于模具填充过程的可视化，例如填充类型。图9通过示例显示了壁厚对填充类型影响的横截面（在MFCS处）。结果表明，模具采用正向填充方式进行薄壁填充。相反，壁厚为4.5mm和6.5mm的铸件通过自由射流充填，湍流更大。在传热影响的背景下，这一事实可能是实验中MFCS信号之间处理时间增加的原因。

图10显示了实验数据和数值数据的组结。数据可有助于表明模具填充的详细工艺窗口。图10显示了模具填充的工艺窗口。壁厚为6.5毫米的铸件，模具填充在976ms始，在1023ms结束。这表明填充时间为47ms。随着壁厚的减小，壁厚为4.5毫米铸件的填充时间为41ms（开始：983ms；结束：1024ms），壁厚为2.5毫米铸件的填充时间为35ms（开始：992ms；结束：1027ms）。经检查设置的铸件的完成时间在1023ms和1027ms之间。因此，这些差别只是微乎其微的。根据数据点与来自模拟的图像的结合，能够对与处理时间相关联的模具填充详进行细描述。图10显示了从开始到结束所识别的工艺窗口的模具填充阶段。

4、结论

使用传感器可以方便观察每个铸件的工艺时间相关的模具填充。为此，将实验确定的过程数据与数值模拟进行了比较。在处理时间、浇铸铝液和坩埚温度方面，两者结果相差极小，方便对过程进行详细的说明。对模具填充过程有了更详细的了解。根据实验结果可以得出关于传热影响的结论。这是数值模拟面临的一个挑战。缺乏热力学领域中的物理量会降低模拟的分辨率。实验在这方面有更高的分辨率。这些发现可应用于时序要求严格的过程控制，开辟创新压铸件生产的新的可能性。