原标题：基于Flow-3D的三通阀压铸工艺设计及优化

铝合金因密度小、比强度高、耐腐蚀等特点，在工业中得到广泛使用。铝合金常采用压铸成形，在压铸过程中，金属液充型速度快，如果浇注系统和溢流系统设计不合理，会造成氧化夹杂和卷气等缺陷，影响铸件品质，降低其力学性能。传统压铸工艺设计要依靠经验进行多次尝试，极大提高了成本并延长设计周期。

基于三通阀的结构特点，设计了压铸工艺的浇注系统和溢流槽，采用Flow-3D软件进行充型过程数值模拟。在初始方案中, 铸件整体卷气较严重，随着对浇注系统和溢流槽的逐步优化，降低了铸件的内部卷气量。根据优化后的方案，设计制造了压铸模具并进行了生产验证。通过对铸件的模拟分析, 基于铸件的卷气量、温度场和金属液的流动特征，设计并优化了浇注系统和溢流槽。利用优化后的系统设计模具并进行生产，获得了合格的铸件。

图文结果

三通阀的轮廓尺寸为152.5mm×119.5mm×121mm，平均壁厚约为5.56mm。铸件的外形为圆筒形，左侧有一圆形平台和阶梯通孔，其上下对称，下表面带有凸台，中心有一带有隔板的通孔，直径为φ90mm，通过UG软件建立1∶1实体三维体造型，见图1。铸件分型面的选择要考虑压铸模设计的繁简程度、易于加工和保证铸件的尺寸精度等。根据铸件的结构特点，因其左侧平台上完全对称，所以优化的方案选择三通阀主通道的水平面，即平台中心线和圆筒轴线组成的面作为分型面。分型面处于铸件水平中心，有利于排气。

图1 三通阀实体造型示意图

图2 分型面示意图

图3 初步设计浇注系统示意图

图4 铸件充型过程

可以看出，铸件正面桶壁卷气较为严重，会严重影响铸件质量。对于上述情况，可能是由于金属液在横浇道上的流速过快导致。通过在浇道上增加弯道可以降低金属液的流速使其获得良好的充型，改善浇道未充满问题。

图5 改进方案浇注系统示意图

图6 改进方案1铸件充型过程

图7 改进方案1铸件温度场

图8 改进方案2浇注系统示意图

图9 改进方案2模拟结果

图10 增加辅助浇道后温度场

图11 改进方案3浇注系统示意图

图12 不同方案卷气量对比

图13 不同方案氧化渣对比

图14 不同浇注系统下卷气体积

从图14可以看出，改进方案1和改进方案3明显降低铸件内的卷气量，改进方案2虽然整体卷气量并没有明显下降，但是从卷气云图可以看出，铸件内的卷气位置发生改变，其中一部分已转移到溢流槽中，也相当于降低内部卷气量。改进方案3的卷气量最低、整体充型顺序良好、无浇不足缺陷、且温度无明显降低、氧化夹杂聚集较少，可以作为最终试制方案。

图15 实际生产的三通阀铸件

图16 X射线检测结果

本文作者：

郭广思 陈晨
沈阳理工大学材料科学与工程学院
孙晶莹
东北大学材料科学与工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴