第10卷 第1期 精 密 成 形 工 程
2018年1月
JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING
167
收稿日期：2017-10-31
基金项目：贵州省自然科学基金（黔科合基础JC(2016)1026）；贵州省教育厅青年人才成长项目（黔教合KY 字[2017]101） 作者简介：许锐（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为轻金属近净成形。 通讯作者：林波（1985—），男，博士，副教授，主要研究方向为轻金属近净成形。
许锐，李浩宇，林波
（贵州大学，贵阳 550025）
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、绿铸造发展的趋势。 关键词：铝合金；风扇叶片；压铸
DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.022无限自我
中图分类号：TG249.2 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2018)01-0167-05
Design of Die Casting Mold for Aluminum Alloy Fan Blade
XU Rui , LI Hao-yu , LIN Bo
(Guizhou University, Guiyang 550025, China)
ABSTRACT: The paper aims to replace traditional plastic fan blades with aluminum alloy to adapt to the trend of ener-gy-saving, emission reduction, and green casting development. The die-casting molds of aluminum alloy fan blades were de-signed by UG modeling and Anycasting software, includ
ing design of parting surface, core cavity structure, pouring system, spillway trough, vents, push rod mechanism and cooling system, and numerical simulation of the die-casting process was also carried out. The blade portion of the fan was finally solidified and prone to shrinkage and pore. By adjusting the position of the spillway trough, strengthening the exhaust at the defect and collecting gas and inclusions between blades, the defect basically disappeared. The die-casting mold designed can meet the production requirement on aluminum alloy fan blade and fit in with the trend of energy-saving emission reduction, green casting development. KEY WORDS: aluminum alloy; fan blade; die casting
为了适应节能减排、绿发展的趋势，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
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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2.685 g/cm3，通过“测量体”测得铸件的体积为V=583 377 mm3=583.4 cm3，质量为m=1.57 kg。通过UG软件测量铸件的壁厚，铸件的最大壁厚是10.76 mm，平均壁厚为3.2 mm。
图1 铸件平均壁厚(mm)
Fig.1 Average wall thickness of castings
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。
图2 分型面设计
Fig.2 Design of parting surface
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。
a 型腔
b 型芯
图3 成形零件结构设计
Fig.3 Design of forming parts
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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。
图4 浇注系统设计
Fig.4 Design of pouring system
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。
图5 溢流槽设计
Fig.5 Design of spillway trough
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。
图6 排气槽设计
Fig.6 Design of vents
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。
图7 推杆机构设计
Fig.7 Design of push rod mechanism
3.7 冷却系统设计
铁铧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
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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。
图8 冷却系统设计
Fig.8 Design of cooling system
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。
图9 充填分析
Fig.9 Filling analysis
东乡神蛋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。
图10 概率缺陷分析
Fig.10 Analysis of probabilistic defects
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。
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