圖1：濾波器的結(jié)構(gòu)圖

原標(biāo)題：CAE分析在鋁合金壓鑄件濾波器質(zhì)量提升的應(yīng)用

鋁合金壓鑄件的輕量化、功能集成化的發(fā)展趨勢，導(dǎo)致了零件的結(jié)構(gòu)多樣化、復(fù)雜化, 出現(xiàn)了較多壓鑄工藝性較差，壁厚不均的零件。這類壁厚差別非常大而結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零件, 在壓鑄生產(chǎn)過程中，由于金屬液的快速壓入，撞擊復(fù)雜的型壁，必然產(chǎn)生渦流和卷氣。如果澆道系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)設(shè)計不合理，會造成溶于鋁液中的氣體難于完全排出型腔，必然導(dǎo)致壓鑄件內(nèi)部及表面產(chǎn)生氣孔缺陷。與此同時，由于零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，導(dǎo)致鋁液在快速凝固過程中不能有效的進行補縮，從而在鑄件中形成縮松。這類表面及內(nèi)部存在氣孔與縮松的產(chǎn)品因不能滿足零件的技術(shù)要求，而造成零件的報廢，為企業(yè)帶來了極大的浪費。

筆者以某通訊零件濾波器為例，運用CAE對原方案進行模擬，分析缺陷存在的根本原因，提出優(yōu)化的方案，有效地解決產(chǎn)品氣孔缺陷的問題。本文為此類壓鑄零件的缺陷解決提供方法與思路，同時也為模具澆注與排溢系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

鑄件的基本介紹

圖1為某通訊零件濾波器的結(jié)構(gòu)圖。其鑄件質(zhì)量為3kg，材料牌號為DC01。鑄件基本尺寸為414mm×333mm×38mm，壁厚最大4mm，壁厚最薄2mm，平均壁厚為3mm，內(nèi)腔交錯分布著類似迷宮結(jié)構(gòu)的筋條，屬于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的鑄件。

該零件是目前為止技術(shù)含量較高的移動通訊發(fā)射基站用的濾波器。相對于傳統(tǒng)濾波器，它的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，迷宮結(jié)構(gòu)多而且復(fù)雜，壁厚不均，柱臺及安裝孔多。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必然會導(dǎo)致鋁液填充不夠暢順，鑄件局部存在包卷氣體。另外該鑄件內(nèi)部致密性要求較高，而且產(chǎn)品需要電鍍。當(dāng)鑄件進行電鍍烘烤時，孔洞內(nèi)氣體受熱膨脹，會導(dǎo)致鑄件表面起泡，所以在生產(chǎn)中要用適當(dāng)?shù)姆椒ń鉀Q氣孔缺陷。因此如何減少鑄件填充成型的氣體是整個壓鑄工藝設(shè)計的難點。

基于以上對產(chǎn)品的分析，產(chǎn)品的鑄造難度大。研究該產(chǎn)品的澆道系統(tǒng)的填充與排溢系統(tǒng)的排氣情況是解決氣孔缺陷首先要考慮的因素。

缺陷描述

根據(jù)壓鑄試制的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鑄件左邊尾部一柱臺周邊表面分布一些不規(guī)則的氣孔。氣孔直徑最大的有3mm，最小的有0.5mm，氣孔呈圓形和橢圓形居多，個別呈長條形，孔內(nèi)光滑（見圖2）。經(jīng)過X光機檢測發(fā)現(xiàn)該位置氣孔簇集在一起，并分布在柱臺周邊，X光內(nèi)部質(zhì)量（見圖3）所示。因此可以初步判斷該氣孔缺陷是由于氣體集聚造成的，生產(chǎn)中該缺陷造成的產(chǎn)品報廢率達27.8% 。

圖2：氣孔缺陷圖

圖3：X光氣孔缺陷圖

氣孔缺陷的原因分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分析（見圖4），左邊A區(qū)為內(nèi)腔結(jié)構(gòu)與水尾壁位之間形成避空，鋁液填充到此位置碰到模具型壁形成包卷，影響鋁料充填及排氣，當(dāng)排氣不暢就會出現(xiàn)高壓現(xiàn)象，造成熔體充填困難和注射量不足，導(dǎo)致鑄件C區(qū)出現(xiàn)組織疏松、氣孔外露的缺陷。而A區(qū)和A區(qū)與C區(qū)之間的過渡位置，由于比較接近尾部，排溢系統(tǒng)能排掉部分氣體，故在實際生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)氣孔缺陷。右邊B區(qū)結(jié)構(gòu)是連通水尾壁位，可以順利填充和排氣，所以在生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)氣孔缺陷。另外，試制現(xiàn)場壓鑄工程師已經(jīng)是在良好的工藝條件進行試制，不存在由于壓鑄工藝問題引起產(chǎn)品的氣孔缺陷，比如鋁液含氣量過多，噴涂過多，壓射工藝參數(shù)不合理等一系列問題。

圖4：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

CAE模擬分析

運用MAGMA 模擬軟件對壓鑄方案進行成型模擬，從圖5的填充40%，60%，80%，100%中發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)品的左半邊填充比右半邊慢；并且澆口1填充速度比澆口2填充速度快，在產(chǎn)品的左上角出現(xiàn)包卷氣區(qū)域。

圖5：產(chǎn)品填充的CAE分析

缺陷改善

解決缺陷措施

從MAGMA模擬看，澆道1填充速度過快，澆道2填充速度過慢，導(dǎo)致產(chǎn)品最左邊鋁料快速封住尾部的渣包口，造成排氣不暢，形成包氣區(qū)域。另外，產(chǎn)品左半邊填充比右半邊慢。我們提出的改善方案是澆道1封一半降低其填充速度，澆道2向左加寬5mm，加快其填充速度，使產(chǎn)品左右兩邊填充趨向平衡。另外為了改善排氣，渣包3、4開通排氣通道，讓產(chǎn)品左右兩邊角位的氣體直接排到模具的排氣板（見圖6）。

圖6：方案改善圖

改善方案的CAE分析

我們把改善方案放在MAGMA軟件中進行CAE模擬，通過分析原來方案與改善方案填充的40% ，60% ，80% ，100%的模擬結(jié)果對比，可以判定：經(jīng)過修改澆道后，產(chǎn)品左半邊填充速度比原來快了，并且左半邊和右半邊填充趨向平衡，而且澆口1填充比澆口2填充慢了，在產(chǎn)品的左上角沒有形成包氣區(qū)域。（見圖7）

圖7：原方案與改善方案CAE分析對比圖

改善效果的驗證

經(jīng)過現(xiàn)場生產(chǎn)試制，X光內(nèi)部質(zhì)量見圖8所示，缺陷位置沒有氣孔存在。該位置由于氣孔造成的報廢率由原來的27.8% 變?yōu)?% 。通過批量生產(chǎn)、送樣以及用戶的檢測，產(chǎn)品的品質(zhì)狀態(tài)符合技術(shù)要求，項目順利通過驗證并量產(chǎn)。

該案例是現(xiàn)場壓鑄工藝技術(shù)與CAE技術(shù)相結(jié)合地解決氣孔缺陷問題的典范，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，大大提高了經(jīng)濟效益。

圖8：改模后試制X光圖

結(jié)語

針對解決某通訊零件濾波器的氣孔缺陷的研究，運用MAGMA 軟件進行CAE模擬運算，分析鋁合金壓鑄生產(chǎn)程中的氣孔產(chǎn)生的原因，為模具澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)的設(shè)計提供參考依據(jù)，對提升鑄件的品質(zhì)和節(jié)省成本以及縮短開發(fā)周期，提高經(jīng)濟效益有一定的幫助。

由于影響鋁合金壓鑄零件氣孔產(chǎn)生的因素很多，涉及到壓鑄過程的方方面面，在實際生產(chǎn)中要注意的問題不僅僅局限以上澆注系統(tǒng)與排溢系統(tǒng)的設(shè)計的改進。

陳國恩 譚小明 汪學(xué)陽 趙衛(wèi)紅

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