原標(biāo)題：基于Magma®的新能源汽車鋁合金連接支架壓鑄件的工藝模擬及優(yōu)化

導(dǎo)讀

采用高壓鑄造工藝生產(chǎn)用于新能源汽車電動(dòng)機(jī)與其他動(dòng)力元件裝配的鋁合金連接支架零件。為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與多種不同形狀動(dòng)力元件連接的功能，連接支架的內(nèi)表面設(shè)計(jì)了許多不均勻的框架和薄壁連接筋條。這種不均勻框架及筋條結(jié)構(gòu)使鋁合金壓鑄時(shí)各個(gè)部位的充型速度和流量產(chǎn)生不均衡現(xiàn)象，在零件局部尤其是需要機(jī)加工的位置發(fā)生氣孔、冷隔和澆不足等缺陷，影響尺寸精度和連接安裝功能的實(shí)現(xiàn)。采用Magma®軟件模擬分析壓鑄充型和凝固過程，針對(duì)初始工藝設(shè)計(jì)模擬產(chǎn)生的縮松、氣孔等缺陷，結(jié)合鑄件各區(qū)域的功能質(zhì)量要求，劃分零件不同工藝區(qū)域，研究零件充型過程各區(qū)域金屬液冷卻凝固速度和流量差異，分析壓鑄充型過程鑄件壁厚不均勻造成的充型流量、速度分布不均衡情況，以及鑄件局部盲孔特征造成的氣孔缺陷。通過模擬充型結(jié)果、P-Q2壓力與流量關(guān)系曲線和氣壓模擬數(shù)值，研究局部澆道的分澆口尺寸和形狀設(shè)計(jì)，調(diào)整優(yōu)化分澆道的形狀及澆口面積，協(xié)調(diào)鑄件局部的充型流量與充型壓力關(guān)系，使鋁液充型時(shí)流量均衡進(jìn)入型腔，并經(jīng)過模擬驗(yàn)證改善縮松和氣孔等缺陷，以提高鑄件組織致密度及生產(chǎn)品質(zhì)。

圖文結(jié)果

圖1為連接支架零件3D圖及工藝區(qū)域劃分。材質(zhì)為A356.2鋁合金，具有流動(dòng)性好、密度小和耐蝕性良好等特點(diǎn)，且在壓鑄生產(chǎn)時(shí)具有熱裂傾向低、線收縮小、氣密性好等性能。產(chǎn)品質(zhì)量為2.75 kg，體積為1 013.38 cm³，平均壁厚為3.5 mm，輪廓尺寸為319 mm×209 mm，壓鑄模具材質(zhì)為SKA61模具鋼。根據(jù)支架零件的幾何結(jié)構(gòu)，將其分成A、B、C 3個(gè)區(qū)域。A區(qū)域?yàn)楸”诘目蚣苓B接筋條，B區(qū)域?yàn)檫B接其他零件的連接緊固裝配部分，壓鑄后還要進(jìn)行機(jī)加工，因此也是零件尺寸精度和內(nèi)部組織致密度要求較高的區(qū)域；C區(qū)域則為壁厚較為均勻的框架部分。A區(qū)域最外邊的薄壁筋條位置，金屬液流量偏少，容易產(chǎn)生噴射、卷氣和冷隔缺陷，需要平衡充型壓力并合理設(shè)置溢流槽。B區(qū)域中圓圈標(biāo)示為后續(xù)機(jī)加工成型孔，要求鑄件內(nèi)部組織必須致密無氣孔。C區(qū)域雖然屬于相對(duì)簡(jiǎn)單并較快凝固的部分，但由于充型流量和速度的差異，3個(gè)區(qū)域金屬交匯的局部位置容易產(chǎn)生氣孔、冷隔和變形等缺陷，因此需要對(duì)壓鑄充型和凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定合理的工藝設(shè)計(jì)方案。

鋁合金連接支架壓鑄初始工藝方案及參數(shù)設(shè)計(jì)首先要保證支架零件各部分的完整充型，以及機(jī)加工面的氣孔、冷隔和變形等質(zhì)量問題。根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備情況，選用的壓鑄機(jī)和初始工藝參數(shù)見表1。

圖1 連接支架零件工藝區(qū)域劃分及3D圖

表1 低壓鑄造支架數(shù)值模擬初始工藝參數(shù)

根據(jù)內(nèi)澆口位置應(yīng)使金屬液充填型腔流程最短、防止金屬液在充填過程中熱量損失過多而產(chǎn)生冷隔或流痕等壓鑄缺陷的基本原則，初始澆注與排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖2。初始工藝中內(nèi)澆口采用1~6號(hào)分澆道同時(shí)進(jìn)料，每個(gè)澆道的截面形狀尺寸大小接近，目的是使金屬液充填均衡平穩(wěn)，有利于排氣和傳遞靜壓力。同時(shí)針對(duì)連接支架的扁平分散的形狀，設(shè)置了多個(gè)溢流槽。由于支架零件A、B、C 3個(gè)區(qū)域差異化的結(jié)構(gòu)可能阻礙鋁液的均衡充型，充型時(shí)幾股金屬液流交匯處也會(huì)因碰撞而產(chǎn)生渦流、卷氣，同時(shí)壁厚不均勻造成的凝固時(shí)序差別也會(huì)引起冷隔和變形等缺陷。因此設(shè)計(jì)多個(gè)溢流槽（見圖2b箭頭處），期望能穩(wěn)定金屬液的流態(tài)，并起到容納冷污金屬液和提高排氣效果的作用。其中在A區(qū)域的邊框薄壁筋條位置增設(shè)了一個(gè)溢流槽，以避免此位置充填不暢造成的“死角困氣”現(xiàn)象。

圖2 連接支架壓鑄澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)

針對(duì)連接支架零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和質(zhì)量要求，采用Magma®軟件對(duì)支架壓鑄充型過程的溫度變化、充型速度、氣壓變化和縮松缺陷預(yù)測(cè)等進(jìn)行模擬。圖3為鋁液充型的各階段模擬。通過模擬對(duì)比可以看出，支架鑄件在凝固過程中各個(gè)工藝區(qū)域的充型速度和冷卻凝固順序存在著不均衡現(xiàn)象。從圖3a可以看出，鋁液初始填充階段，采用多個(gè)垂直式內(nèi)澆口同時(shí)充型，使鋁液與模具間的熱傳導(dǎo)速度呈現(xiàn)不同步，溫度變化速度出現(xiàn)一定差異現(xiàn)象。其次，由于零件各區(qū)域的壁厚和形狀差異造成了填充型腔的金屬液體積及充型速度差別較大，充型完成時(shí)間不同步， C區(qū)域基本充滿時(shí)，A、B區(qū)域部分位置還有接近20%的型腔未充滿。從圖3c和圖3d可以看出，由于A、B區(qū)域的充型進(jìn)程慢于其他位置，充型速度不均衡會(huì)造成鋁液交匯形成憋氣。同時(shí)充型過程各部分區(qū)域溫度梯度分布十分不均勻，容易產(chǎn)生縮松、縮孔和冷隔缺陷。因此，為了實(shí)現(xiàn)鋁液充型時(shí)保持流量、速度均衡進(jìn)入型腔，需要針對(duì)性增大相應(yīng)位置的內(nèi)澆口面積，加大充型流量并加快充型速度，尤其對(duì)于零件A、B區(qū)域的重點(diǎn)位置，從而降低冷隔缺陷的可能。

針對(duì)零件框架分散結(jié)構(gòu)和后續(xù)機(jī)加工對(duì)鑄件凝固致密度要求較高的特點(diǎn)，還進(jìn)行了充型過程的氣壓變化模擬和內(nèi)部縮孔、縮松缺陷預(yù)測(cè)，見圖4。從圖4a可以看出，在圖1a的A、B區(qū)域的相交接處，黑色線框標(biāo)示出氣壓值較高，鋁液流態(tài)顯示出機(jī)加面有裹氣，機(jī)加工后會(huì)有內(nèi)部氣孔出現(xiàn)的可能。同時(shí)內(nèi)澆口位置也有少量鋁液裹氣，其原因應(yīng)該是6個(gè)內(nèi)澆口的進(jìn)料流量和速度不均衡，來自不同內(nèi)澆口的鋁液以不同的速度和溫度在鑄件的最后填充位置進(jìn)行交匯時(shí)，容易在金屬液交匯處形成裹氣、層流和流痕等缺陷。其次在靠近內(nèi)澆口局部位置的少量鋁液裹氣還會(huì)產(chǎn)生冷料積聚，機(jī)加工后也會(huì)有發(fā)生澆不足和分層缺陷的趨勢(shì)。

圖3 連接支架壓鑄充型過程溫度模擬

圖4 壓鑄充型時(shí)裹氣及縮松缺陷預(yù)測(cè)模擬

在連接支架鑄件初始的工藝設(shè)計(jì)中，6個(gè)內(nèi)澆口為截面積相等的均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而支架鑄件的A、B和C 3個(gè)區(qū)域的壁厚和結(jié)構(gòu)相差較大，造成3個(gè)區(qū)域的鋁液充型凝固結(jié)果產(chǎn)生較大的差異。針對(duì)A、B和C 3個(gè)區(qū)域的壁厚差別和凝固質(zhì)量，設(shè)計(jì)合理的內(nèi)澆口，改變各工藝區(qū)域充型流量及充型壓力不平衡的問題。圖5為優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。為了使1~3號(hào)內(nèi)澆口與另一側(cè)的4~6號(hào)內(nèi)澆口在充型時(shí)實(shí)現(xiàn)流量、速度的平衡，避免進(jìn)料較快的內(nèi)澆口低溫鋁液進(jìn)入型腔，形成冷料積聚，將2號(hào)內(nèi)澆口與主澆道相交的直角位置改成圓弧過渡，降低2號(hào)內(nèi)澆口金屬液進(jìn)入型腔時(shí)噴流趨勢(shì)，并加長(zhǎng)行程、改大內(nèi)澆口面積，改成傾斜狀進(jìn)料，以防止負(fù)壓吸氣或裹氣。同時(shí)，為了降低氣孔缺陷產(chǎn)生，在2號(hào)和3號(hào)內(nèi)澆口之間增加一個(gè)專門的溢流槽進(jìn)行排氣。

根據(jù)設(shè)備和內(nèi)澆口設(shè)計(jì)方案，生成P-Q2關(guān)系曲線，幫助設(shè)計(jì)者驗(yàn)證充型壓力與模具能量關(guān)系較為理想的工藝區(qū)域，從而檢驗(yàn)和判斷內(nèi)澆口的面積大小設(shè)計(jì)合理性，見圖6。從改變2號(hào)內(nèi)澆口的面積之后產(chǎn)生的P-Q2關(guān)系曲線圖中看出，當(dāng)2號(hào)內(nèi)澆口面積從初始理論值設(shè)計(jì)的2.35 cm2增大為3.35 cm2時(shí)，模擬產(chǎn)生的P-Q2關(guān)系工藝曲線在最佳區(qū)域內(nèi)，證明改變2號(hào)內(nèi)澆口面積的優(yōu)化方案可行。同時(shí)，根據(jù)P-Q2關(guān)系曲線圖，對(duì)初始工藝的最大充型壓力、型腔填充時(shí)間和模具初始溫度等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，見表2。

圖5 改變內(nèi)澆口形狀后的優(yōu)化方案圖

圖6 通過P-Q2關(guān)系曲線檢查內(nèi)澆口設(shè)計(jì)的合理性

表2 初始工藝與優(yōu)化方案參數(shù)對(duì)比表

對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行充型過程壓力和凝固溫度模擬分析，得出了優(yōu)化后零件壓鑄過程液相到固相的壓力、溫度對(duì)比仿真變化曲線，見圖7。從優(yōu)化前后的金屬液充型末端交匯處的氣壓模擬對(duì)比看出，初始的設(shè)計(jì)氣壓值高，達(dá)到3 557.979 kPa，而優(yōu)化后的氣壓值降低為2 302.127 kPa，這說明在此金屬液交匯位置的包氣趨勢(shì)風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。通過選擇安置在預(yù)測(cè)時(shí)可能產(chǎn)生縮松位置的模擬傳感器，Magma®軟件還能生成重點(diǎn)位置的金屬液與模具熱交換及溫度變化曲線，以檢查凝固過程的溫度曲線是否順滑，見圖8。可以看出，優(yōu)化后的鑄件局部模具與金屬液之間的熱傳導(dǎo)溫度曲線呈平緩下降，證明鑄件從液相到固相的過程中得到了合理的冷卻凝固速度，避免了鑄件和模具之間溫度梯度過大而形成縮松等缺陷。

圖7 充型過程氣壓優(yōu)化對(duì)比模擬圖

圖8 充型過程金屬液和模具溫度變化模擬圖

結(jié)論

（1）鋁合金連接支架零件區(qū)域差異化的壁厚形狀阻礙了鋁液充型時(shí)的速度和流量均衡，因此初始設(shè)計(jì)6個(gè)相等的內(nèi)澆口容易造成各部位凝固速度差別較大，鋁液交匯處有裹氣和冷隔缺陷。

（2）針對(duì)支架鑄件各區(qū)域的不同的壁厚和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)差異化的內(nèi)澆口，改變鑄件局部的充型流量與充型壓力關(guān)系，同時(shí)在內(nèi)澆口增加溢流槽，能夠提高排氣效果及改善填充凝固質(zhì)量。

（3）通過充型壓力模擬對(duì)比結(jié)果和P-Q2關(guān)系曲線圖表，證明優(yōu)化方案能改善鑄件包氣和縮松等缺陷。

《鋁合金連接支架壓鑄數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化》

韓偉1 盧健能1 江麗珍1 楊安2 歐俊杰1
1. 廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；2. 貴州新藍(lán)輝金屬制品有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》