机器人关节的液态挤压工艺仿真

万 涛

(武汉软件工程职业学院机械工程学院，湖北 武汉 430205)

机器人关节是机器人的主要结构件，其主要作用是在机器人运动过程中传递载荷，因此生产机器人关节采用的工艺需要满足较高的质量要求[1]。随着机器人越来越多地应用于工业生产中，如何实现低成本生产就成为一个关键问题。液态挤压介于铸造和锻造之间，是将金属液缓慢注入模腔，并施加压力使其在压力下凝固成型的工艺[2-3]。采用液态挤压生产的铸件，内部组织致密，晶粒细小，具有很高的质量。同时，该工艺还适合大批量低成本快速生产。因此，液态挤压工艺适合作为机器人关节的生产工艺。数值仿真技术可以对整个液态挤压铸造过程进行模拟，提前预测缺陷和帮助优化工艺设计，降低生产成本和缩短生产周期[4-5]。因此，本文采用数值仿真技术，对机器人关节的液态挤压过程进行模拟，探讨工艺方案和参数对铸件缺陷的影响，为工艺生产提供技术参考。

1 仿真模型

本文使用铸造仿真软件ProCAST对液态挤压铸造过程进行模拟。液态挤压过程在立式挤压机上进行，机器人关节水平摆放，浇口设置在关节下部。由于从底部浇注，金属液流动平稳，有利于消除铸造过程中的气孔缺陷。机器人关节和浇口的三维模型如图1所示，长400 mm，宽100mm，浇口直径60mm。模拟使用的铸件材料为AlCu5Mg，合金的固相率和温度的关系曲线如图2所示。合金的液相点和固相点分别为648℃和530℃。模具材料选用H13钢。设定模具和铸件间的传热系数为2 000W·m2/K，模具与空气间的传热系数为20W·m2/K。模拟中选取不同的浇口速度，分别为0.3m/s和0.5m/s。金属液的浇注温度设置为720℃。

图1 机器人关节和浇口三维模型

图2 固相率与温度的关系

2 结果和讨论

2.1 流动场

合理的浇注系统设计和工艺参数选择应该使得金属液顺利完成充填，不出现冷隔和浇不足等缺陷，并保证充型过程平稳。图3显示了浇口速度为0.3m/s，刚填充完毕时铸件的温度场分布，铸件的整体温度在液相点以上，表明在该浇口速度下金属液充型过程顺利，不存在充不满缺陷。进一步，图4显示了该浇口速度下的充型过程。可以看出，金属液从底部往上填充，不发生喷射回流，不存在卷气和憋气过程，气体能顺利从顶部排出。图5显示了浇口速度为0.5m/s时的憋气过程，可以看出，由于金属液流动速度过快，发生喷射回流，造成憋气。因此，选择浇口速度0.3m/s是合理的，既能顺利完成充填，又不发生卷气和憋气问题。

图3 充填完毕时的铸件温度

图4 浇口速度为0.3m/s时的充型过程

2.2 温度场

图5 浇口速度为0.5m/s时的憋气过程

充型完毕后，随着温度的持续下降，固相率逐渐升高。为了减少铸件内部的收缩缺陷，需要形成从铸件到浇口的梯度温度场，以保证顺序凝固。由于在凝固过程中，液态挤压铸造在浇口处持续施加压力，只要补缩通道顺畅，铸件内部的收缩就能得到补偿。图6显示了凝固过程中铸件固相率的变化，可以看出铸件发生了自上而下、自远端到浇口的顺序凝固，铸件各个部位都得到了很好的补缩效果。因此，从补缩角度分析，浇注系统的设计是合理的，能发挥该工艺挤压补缩的特性。

图6 凝固过程中铸件固相率的变化

3 结束语

本文使用ProCAST软件分析机器人关节液态挤压过程中的温度场和流动场，最终选择在铸件底部设置浇注系统，并设置浇口速度为0.3m/s，使得充型过程平稳以及凝固过程发生顺序凝固，发扬了液态挤压铸造孔洞缺陷少和铸件致密的优点，实现了机器人关节的低成本和高质量生产，为实际工艺设计提供了技术参考。

[1] 王光建,梁锡昌,蒋建东.机器人关节的发展现状与趋势[J].机械传动,2004,28(4):1-5.

[2] 宋鑫,张会,周扬,等.液态模锻技术的应用现状[J].铸造技术,2012,33(6):715-717.

[3] 阎峰云,张占领,刘真,等.镁合金摩托车轮毂液态挤压铸造[J].中国铸造装备与技术,2006(3):50-52.

[4] 凌有临,夏乐春,唐文献,等.汽缸套立式离心铸造工艺仿真[J].机械设计与制造工程,2014,43(3):30-32.

[5] 胡红军,杨明波,罗静,等.ProCAST软件在铸造凝固模拟中的应用[J].材料科学与工艺,2006,14(3):293-295.