基于ProCAST的汽车方向盘零件模流分析与压铸模具优化设计

于 丹

(无锡技师学院数控技术系，江苏无锡 214153)

某型号的汽车方向盘零件结构尺寸如图1a所示，其零件的3D图如图1b所示。该型号的汽车方向盘零件为精密压铸件，材料为ZLA356铸造铝合金，密度为2.7 g/cm3。在技术飞速发展的今天，现代生产要求的周期越来越短，产品精度要求越来越高，所以就要求模具的试模周期缩短，提高试模的成功率。模具的设计往往以经验设计为主，对于一个较新的产品或者设计经验不足的工程师来说则较为困难，借助专业的ProCAST压铸模流分析软件则可以预见性地发现设计的缺陷，通过模流分析减少设计缺陷，提高成功率。

1 基于经验的模具结构设计

如图1所示的汽车方向盘零件，其主体结构为圆形，最大外圆直径尺寸为362.5 mm，高度方向最大尺寸为136.5 mm。从零件的主体尺寸看，该方向盘零件属于较大型的压铸件。这样大型的零件在模具型腔布局上比较困难，如果采用多型腔布局设计，则模具的结构尺寸会成倍的增大，这样不仅会大量增加成本，而且还会给加工以及模具的周转、试模等环节带来很多不便;所以该汽车方向盘零件的压铸模具采用单型腔结构形式(即“一模一腔”)。

在模具设计中，其型腔的布局与结构设计是最主要的模具设计工作。根据方向盘零件的结构，在经验设计的基础上，其型腔布局与浇注系统、排气系统的结构设计如图2所示。在图2所示的基于经验的模具型腔结构设计中，为节约成本及减小模具的尺寸，其浇注系统的中心浇口设置在方向盘零件的内部空位处，并根据零件的结构特点，设置了3个方向的分流道，在零件的圆周分型面上均布了6个排气槽，同时在浇注材料的最后汇合处，设置了缓冲排气的结构。以上型腔结构的设计是基于常规的压铸模具的经验进行设计的，但是这样的结构设计是否完全合理，是否有哪些缺陷还不知道，通常要等到模具试模时的方向盘压铸件才能得到答案，然后再进行模具的修改及调整。如果模具的试模件结果不理想，往往要对模具进行大量的修改工作，而此时的模具零件已经经过了一系列的制造工艺及热处理工艺，同时模具的主体结构已经定型，所以模具的修改范围很有限，有些模具可能会有整体报废的风险。

2 基于模流分析的优化设计

2.1 模流分析

ProCAST软件是专业的铸造模拟有限元分析软件，该软件对相关的工程人员来说是个很好的辅助设计工具软件，其强大的流体分析模块可以模拟所有包括充型在内的流体分析效应，如浇注系统、排气和溢流系统的结构与位置的设计等。ProCAST软件可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程，模拟结果可以由计算机直接显示出来。在模具设计的初期，通过应用方向盘零件的数据模型导入到ProCAST软件中，在进行相关的参数设置后，即可比较迅速地分析型腔充型过程，为模具结构设计提供参考依据，可以优化模具结构设计。ProCAST软件对方向盘零件分析模拟流动充型过程如图3所示。

通过型腔的模拟流动充型分析，可以较为准确地了解型腔内部材料的流动与气体的排气过程，根据ProCAST软件的模拟分析发现，基于经验设计的型腔结构中，排气槽的布局与结构设计不合理。同时在局部细微的分析中也发现了一些问题，如图4所示在方向盘零件的中心位置有些包气的现象。

根据图4模拟分析发现此处有包气现象，此处在方向盘零件的结构上处于中心端面位置，一般不能设置排气槽(此处排气槽的余料较难去除)。为解决这个问题，模具的结构设计中可以通过增加该处流道的尺寸加大中心进料，同时在内部的型芯处增加排气。

2.2 模具结构的优化设计

通过多次模流分析，最终确定了模具型腔的浇注系统与排气系统等结构的布局，优化了模具结构的设计。最终模具型腔结构的优化设计如图5所示。

图5所示的模具型腔结构设计中，根据模流分析的结果修改了流道尺寸，重新设置了排气槽的位置，同时在模流分析中排气不理想的位置处增加了小排气槽，在排气密集处，增加了排气的数量，并缩小了间距。根据模具型腔结构的优化设计，模具的总体结构设计如图6。通过模具型腔结构的优化设计，最终确定了图6所示的模具总体结构形式，在模流分析的基础上，优化了结构工艺，通过模拟分析使得浇注系统以及整副模具的结构得到了优化设计。通过软件的功能代替了实际试模的过程，预见性地设计模具结构。

3 结语

基于ProCAST软件进行模拟流动分析，模拟材料的型腔充型过程，分析过程中可能产生的缺陷，辅助设计人员进行模具结构的优化设计，该方向盘压铸模具一次试模成功，这大大缩短了模具制造与试模周期，降低了成本，对类似零件压铸模具的设计、制造具有一定的借鉴作用。

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