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摘要：目的采用铝合金代替传统塑料风扇叶片，适应节能减排、绿色铸造发展的趋势。方法采用UG建模和Anycasting软件，对铝合金风扇叶片的压铸模具进行设计，包括分型面设计、型芯型腔结构设计、浇注系统设计、溢流槽设计、排气系统设计、推出机构设计、冷却系统设计等，并对其压铸成形过程进行了数值模拟。结果风扇扇叶部分最后凝固且容易产生缩松和气孔，将溢流槽向扇叶方向移动，收集扇叶和扇叶之间的气体和夹杂，加强对缺陷处的排气，缺陷基本消失。结论设计的压铸模具满足铝合金风扇叶片的生产要求，符合节能减排、绿色铸造发展的趋势。
关键词：铝合金；风扇叶片；压铸
为了适应节能减排、绿色发展的趋势，传统的塑料风扇叶片由于强度低、耐热性差、抗腐蚀性差、易老化等缺陷，已逐渐无法满足市场的需求，因此，用铝合金材料代替塑料来生产铝合金风扇叶片，将具有重量轻、散热性好、无磁性、易切削、可再生、耐蚀性和耐气候性好等多方面优势，可应用于高速列车冷却系统、汽轮发电机等场合。传统铝合金风扇叶片采用铸铝ZL402，然而此种合金缩松倾向较大，需设置较大冒口进行补缩，只能采用重力铸造和低压铸造进行成形，力学性能较差。此外由于自动淬火效应，过饱和的α(Al)基体在较高温度下容易分解，导致晶间腐蚀，工作温度也不宜超过100℃。随着发动机高推进比的要求，对铝合金风扇叶片的耐热性能提出了更高要求，因此采用Al-Si-Cu压铸合金代替传统ZL402，将有利于扩展铝合金风扇叶片的使用范围。压铸作为一种近净成形工艺，具有生产效率高、尺寸精度高和力学性能优异等特点，特别适合于薄壁铝合金铸件的生产。文中采用UG建模和Anycasting软件，对铝合金风扇叶片的压铸模具进行了设计，并对其压铸成形过程进行了数值模拟。
1产品结构分析
利用UG软件测定产品材料及密度，密度为2.685g/cm3，通过“测量体”测得铸件的体积为V=583377mm3=583.4cm3，质量为m=1.57kg。通过UG软件测量铸件的壁厚，铸件的最大壁厚是10.76mm，平均壁厚为3.2mm。
2压铸性能分析
传统铝合金风扇叶片采用铸铝ZL402，然而此种合金缩松倾向较大，需设置较大冒口进行补缩，只能采用重力铸造和低压铸造进行成形，力学性能较差。此外由于自动淬火效应，过饱和的α(Al)基体在较高温度下容易分解，导致晶间腐蚀，工作温度也不宜超过100℃，因此本设计中采用ZL107进行代替，以扩大其在耐热、重载领域的使用。ZL107属于Al-Si-Cu系铝合金，由于其铸造性能较好，不经热处理就具有较高力学性能，因而广泛用作压铸合金。此外该合金具有较好的热强性，可在250℃以下工作。ZL107合金含有质量分数为6.0%~7.5%的Si，3.5%~4.5%的Cu，余量为Al。
3模具设计
3.1分型面设计
分型面就是用来使型芯和型腔分离的面，一般是指动模与定模结合的表面，亦称合模面。一般情况下，分型面选择在型芯和型腔接触的表面，也就是铸件表面积最大的地方。本次设计中的分型面设计见图2。
3.2成形零件结构设计
型芯和型腔在模具中需要可靠的定位，其固定方式主要有整体式结构和整体组合式结构。整体式结构相比整体组合式结构来说，具有加工量大、浪费贵重的热作模具钢、不易修复等缺点，同时，给热处理和表面处理带来很大困难，适用于批量小、产品试制、形状简单、不需要热处理的单腔模具，所以采用整体组合式结构。型腔型芯结构设计分别见图3a和3b。
3.3浇注系统设计
首先由于侧浇口在液态金属充填时容易产生涡流、包裹气体杂质，而且型腔内部交错横生，比较复杂并且型腔比较深，所以金属液的流动比较混乱，金属液之间相互汇合后容易形成冷隔、气孔、缩孔或表面花斑等缺陷。其次，金属液流动的路程曲折且比较长，而风扇铸件的壁厚比较薄，导致金属液充满型腔不容易。最后，浇口处的温度比较高，容易形成热节点，导致铸件比较容易发生翘曲变形，不能达到期望的质量要求，所以依据风扇的构造和技术条件，选择轮辐式浇口。浇注系统设计见图4。
3.4溢流槽设计
通常半圆形的溢流槽主要用于壁厚较薄的压铸件，较厚的压铸件往往采用梯形或者双梯形溢流槽，因此，本设计中溢流槽设计在壁厚较薄的风扇叶片处，故采用半圆形结构。溢流槽设计见图5。
3.5排气系统设计
一般情况下，溢流槽的后面需要设计排气槽，这样有利于气体和其他杂质的溢出。排气槽的设计主要有以下几点要求：①排气槽最好设置在分型面上，并且要么同在动模上，要么同在定模上，制造的时候比较方便；②当型腔内要排出的气体比较多时，一般都是增加更多排气槽或者将排气槽做得更宽一点，而不是将排气槽做得更深，因为排气槽太深容易导致金属液外流；③型芯或推杆与镶块之间的间隙也具有排气的作用，但设计时可不列入排气总面积。结合以上设计要点，本次排气系统设计见图6。
3.6推出机构设计
推杆推出机构在模具开模过程中的运动简单，不容易发生干涉，运动准确可靠，因此在本次设计中，推出采用推杆推出的形式。推杆机构设计见图7，通过强度校核，本设计中采用12根推杆作为顶出机构，可以满足实际生产要求。
3.7冷却系统设计
冷却系统是压铸模中用来降低模具温度的系统，冷却系统可以带走模具上金属液给予的不需要的热量，使模具冷却到最佳的工作温度。冷却方式有水冷却、风冷却、用传热系数高的合金间接冷却、热管冷却等冷却方式。在本次设计中采用的是水冷却的方式，因为水随处可见，所以方便取用，水的降温效果显著，可以进一步提高冷却效率。冷却系统的布置形式很多，大多受到型芯和型腔形式的影响，在本次设计中，为了加强冷却效果，采用的是螺旋水道的冷却形式，冷却系统设计见图8。
4计算机模拟
4.1充填分析
对压铸件进行充填模拟分析，分析结果见图9，其中1区域是金属液汇合的区域，容易裹入气体、夹杂，所以在此处应该设置溢流槽；2区域扇叶容易发生卷气，而且扇叶是金属液最后充填的部分，容易产生气孔、缩松等缺陷，所以应加强扇叶部分的排气，设置溢流槽进行排渣。
4.2优化方案
根据以上的充型分析，在铸件的扇叶和扇叶之间容易产生气孔、缩松等缺陷，因此对铸件的溢流槽位置进行优化。将溢流槽向扇叶方向移动，收集扇叶和扇叶之间的气体和夹杂。对改进的方案再次进行模拟分析，分析铸件的残余熔体参数，铸件容易产生缺陷的部分由每个扇叶转移至如图10a所示的部位。最后对该部位进行加强排气等措施，从而减少缺陷产生的概率，优化后的结果见图10b，可以发现风扇叶片处的铸造缺陷基本消失。
5结语
1)采用ZL107铝合金代替传统塑料和ZL402，并采用压铸的工艺方法代替传统的重力铸造及低压铸造，来生产风扇叶片，应用于高温、重载工况下，扩大铝合金风扇叶片的使用范围。采用UG建模的方法，对风扇叶片压铸模具进行了设计，包括分型面设计、型芯型腔结构设计、浇注系统设计、溢流槽设计、排气系统设计、推出机构设计、冷却系统设计等。2)采用Anycasting对压铸铝合金风扇叶片成形过程进行了数值模拟，结果发现风扇扇叶部分最后凝固，且容易产生缩松和气孔。通过对溢流槽的位置进行调整，加强对缺陷处的排气，缺陷基本消失。
作者:许锐 李浩宇 林波 单位:贵州大学