热室压铸机压射机构失效分析及优化设计

王昌发表于2022/8/30 14:35:29 热室压铸压射机流固耦合热力耦合

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摘要：压射机构内部径向变形会引起冲头和压室配合间隙变化，是造成压射机构失效的主要原因。以1 250kN热室压铸机压射机构为研究对象，基于流固耦合分析了压射过程中的热变形以及热力耦合分析,并对其进行对比验证。结果表明，金属熔页产生的热量传递到压射机构的压室和鹅颈壶会引起其内部径向变形，导致压射机构失效。据此进行了结构优化设计，优化后的压射机构变形、质量均有所降低。

铸造是制造业中的重要组成部分,其中热室压铸机因其效率高、结构简单且金属熔液不与空气直接接触、铸件品质好等特点，得到广泛的应用。在热室压铸压射过程中压室内壁不仅受到冲头运动造成的的摩擦磨损，还受到高温金属液引起的腐蚀，使得压室内壁与冲头产生径向变形造成配合间隙变化，严重时会发生卡擦卡死，是导致压射机构失效的主要原因。

朱谦等对挤压铸造机的压射机构动态配合进行研究，认为引起配合间隙变化剧烈的主要原因是压室的温度不均匀。宋雷等对挤压铸造的压室进行了卡擦现象定性分析，其认为压射机构内部热变形引起的配合间隙变化是造成卡擦现象出现的主要原因。目前对压射机构的研究主要集中在由热变形引起的间隙变化造成的卡擦现象，但针对热室压铸机的研究报道较少。热室压铸机压射机构与冷室压铸机不同，其工作环境复杂，易发生失效，且压室与冲头更换困难。因此，对热室压铸机压射机构在工作中的失效问题进行研究十分必要。

本课题对热室压铸机工作状态下压射机构的变形失效原因进行研究，通过数值模拟分析得知金属熔液产生的热量传递到压射机构的压室和鹅颈壶会引起其内部发生径向变形。

1、压射机构模型的建立

1.1 压射机构

热室压铸机的压射机构主要由鹅颈壶、压室及冲头3部分构成。其工作原理见图1，金属液由进料口进入压室内部，冲头缓慢向下移动直至封住进料口，之后压射冲头以高速压射推动金属液进入鹅颈壶直至模具中保压。待模具成形后冲头退回，金属液回流，顶出装置将压铸件顶出完成一个压铸流程。

图1 热室压铸机压射机构工作原理

1.2 数学模型的建立

在进行流固耦合分析时，需根据一个耦合方程，在同一个时间步内对流体域和固体域中的所有未知量同时求解。而在流体分析中，关于封闭容腔内流体分析问题需通过建立数学模型假设来计算。模型分析选用κ-ε湍流模型。其湍流耗散率表达式为：

湍流能量运输方程为:

能量耗散输送方程为：

式中，ε为湍动能耗散率；μτ为湍动粘度；μτjj为平均速度梯度引起的湍动能的产生κ项；sij为浮力引起的湍动能产生κ项；Cε为经验常数；、κ为用户自定义源项。
流固耦合方程式为：

式中，f为流体；s为固体。

1.3 三维模型的建立

在进行有限元分析前需对压射机构进行三维建模，采用SolidWorks对1 250 kN热室压铸机压射机构进行建模装配。压室和鹅颈壶的尺寸均根据实际图纸尺寸绘制，其剖面图见图2。

图2 压射机构尺寸及剖面图

2、压射过程数值模拟分析

2.1 边界条件设置

以1 250 kN热室压铸机压射机构为研究对象，压射机构简化为由冲头、压室和鹅颈壶组成的有限元模型。数值模拟采用流固耦合分析，忽略重力、磁力、惯性力等对计算结果影响很小的因素。有限元分析中所有的零件材料与实际材料一致。压铸前需将压射机构预热至200 ℃，因此设定初始温度为200 ℃，镁合金熔液为750 ℃。压射过程中一个压铸周期需50 s，压铸工艺流程分4个步骤组成：①在0~5 s金属液流入压室；②在5~15 s时冲头下压完成模具的充型；③在15~45 s时冲头保压金属液在高压下凝固；④在45~50 s时冲头退回，金属液回流，顶出成形铸件。鹅颈壶和冲头材质为QT600，压室材质为H13钢，冲头直径为70 mm，压室外径为110 mm，内径为70 mm，高395 mm，压室底厚为45 mm，鹅颈壶管道内径为15 mm，底厚为75 mm。定义压室及鹅颈壶管道内为流体域，其余部分为固体域。冲头在压射时的速度为0.125 m/s，压射压力为22.88 MPa，出口压力设为静压0，鹅颈壶上方及鹅颈壶出口外表面与压室外表面设为位移支撑，冲头下方为位移支撑给定一个自由度。模型选用κ-ε湍流模型，各系数设为默认值。压力与速度之间的耦合算法为SIMPLE。压射机构中各部件的的材料性能参数见表1。

表1 压射机构各部件材料性能参数

2.2 网格划分

在进行有限元分析前需对要分析的结构进行网格划分，在每个网格划分的区域内采用相应的热力学或流体力学方程求解，最终可以得到整个结构的工作状态。流体域划分网格节点数量8 681个，网格单元数量39 548个。固体域划分网格节点数量121 150个，网格单元数量75 519个，见图3。

图3 流体和固体网格划分

2.1 计算结果分析

当压射机构工作至45 s即一个压铸周期结束，冲头即将退回时，压室及鹅颈壶所受等效应力及变形云图见图4。可以看到，压射机构整体的等效应力及变形分布都是不均匀的。压室中的最大变形位于压室底部，这是由于冲头压力的作用以及金属液在压室内停留时间太长所致，这会导致冲头与压室的配合间隙发生变化，冲头在此处运动发生摩擦磨损及卡擦现象的概率将显著增大。压室上方在压铸过程中不与金属液直接接触，温度较低，其变形也相应较小。冲头的变形由冲头上方到冲头底部递增，因为冲头底部与金属液直接接触且持续时间较长。鹅颈壶中的等效应力较为均匀，最大的变形位于底部区域，与压室变形方向一致，因为鹅颈壶底部长时间接触金属液所致。压室及鹅颈壶内壁受到的等效应力均小于材料的屈服应力。分析得知，压射机构内部径向变形的主要原因是高温金属液的热传递导致的。

图4 压室和鹅颈壶等效应力及变形云图

3、对比验证及优化设计

3.1 分析结果验证

通过数值模拟分析得知金属液热传递影响是造成热室压铸机压射机构内部变形的主要因素，通过热力耦合分析的方式来验证。在热力耦合过程中，设定流体为固定的热源，不考虑内部流体压力的影响。材料属性等定义同上，限制约束也相同，采用稳态热分析的方式,见图5，鹅颈壶与压室的总变形与等效应力的结果基本与流固耦合分析相似，验证了上述分析的正确性。

图5 压室和鹅颈壶应力及变形图

3.2 优化设计

完成有限元分析后，可知金属液的热传递影响是导致热室压铸机压射机构发生径向变形的主要原因，而压室内部的径向变形会导致冲头与压室的配合间隙发生变化，加剧压室内壁的摩擦磨损，甚至会造成冲头运动中发生卡擦卡死现象。因此，根据热变形对压射机构进行了优化设计。在保证其等效应力、总变形降低的情况下，不增加其质量以期达到降低压铸故障率，并节约生产成本的目的。

通过Optimization优化分析，随机生成了20个设计点，分别对每个点进行求解计算，选择其中的最优解。

设定在保证压室内部腔体容积不变的情况下改变压室与鹅颈壶的厚度。分别设定其相关参数设计变量，具体参数见表2。