 原標(biāo)題:基于CAE分析的鋁合金變速箱支架壓鑄工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化 摘要:針對汽車變速箱支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了壓鑄工藝，使用數(shù)值模擬軟件對初始方案進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，鑄件充型平穩(wěn)，排氣順暢，卷氣及夾渣都已排入渣包內(nèi)。但是對試制產(chǎn)品進(jìn)行CT檢測，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域氣孔超過規(guī)定要求。結(jié)合壓鑄實(shí)際情況，修改相關(guān)參數(shù)再次進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)鑄件左側(cè)出現(xiàn)鋁液對鑄件包卷的傾向，右側(cè)區(qū)域中鋁液流速過快，將渣包進(jìn)料位置封堵。因此,對初始方案調(diào)整左側(cè)流道位置，封堵最右側(cè)流道，加深集渣包。根據(jù)優(yōu)化工藝進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，鑄件氣孔大幅減少。 汽車的輕量化，是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。研究證明，汽車質(zhì)量每下降10%，燃料消耗會(huì)降低6%~8%。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化得到重視。采用鋁合金零件將很大程度上減輕汽車質(zhì)量，通過前期優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采用壓鑄生產(chǎn)能明顯減小產(chǎn)品壁厚，并保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。而且壓鑄接近近凈成形，成本顯著降低，生產(chǎn)效率大大提高。但由于其高速、高壓的充型模式，在壓鑄充填時(shí)極易卷入氣體，致使壓鑄件常有氣孔及氧化夾雜存在。 在汽車輕量化設(shè)計(jì)中，懸置及支撐系統(tǒng)零件因其壁厚較厚、質(zhì)量大等原因，成為汽車輕量化中重要優(yōu)化部件。本課題以某汽車變速箱支架為對象，結(jié)合CAE模擬分析，優(yōu)化壓鑄模具設(shè)計(jì)，解決生產(chǎn)過程中遇到的問題，旨在為同類產(chǎn)品生產(chǎn)提供參考。 1.產(chǎn)品介紹 某汽車變速箱支架的三維結(jié)構(gòu)見圖1，最大輪廓尺寸為250 mm×87 mm×98 mm，絕大部分壁厚為5 mm，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，毛坯質(zhì)量為855g，采用5 000kN壓鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。壓鑄件孔隙率按照標(biāo)準(zhǔn)VW50093，并且在靜載荷8 kN壓力下承壓72 h，在模擬裝配環(huán)境載荷20 kN條件下沖擊36次，要求無裂紋、斷裂、塑性變形。合金材質(zhì)為AlSi12Cu1Fe，化學(xué)成分見表1。
圖1 變速箱支架三維造型示意圖
表1 AlSi12Cu1Fe鋁合金化學(xué)成分 wb/% 2.壓鑄工藝設(shè)計(jì) 2.1 澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì) 澆排系統(tǒng)能保證鑄件充填時(shí)各區(qū)域合理配置，排氣順暢，盡可能減少氣體的卷入。澆注系統(tǒng)采用多段流道進(jìn)料，設(shè)置于鑄件長邊位置，以減少鋁液填充時(shí)間，縮短鋁液流程，避免壓鑄時(shí)卷氣、冷隔、熔接痕等缺陷。該鑄件壁厚為5 mm，內(nèi)澆口速度為28~35 m/s，內(nèi)澆口截面積為492 mm2，取直徑為Ф80 mm的活塞，內(nèi)澆口截面積與活塞截面積為1:10.21。根據(jù)伯努利原理可得，當(dāng)內(nèi)澆口流速為35 m/s時(shí)，活塞速度為2.7 m/s。 排溢系統(tǒng)采用渣包與大流量排氣，通過渣包后面排氣板的延伸，提高排氣面積，從而增加排氣量，渣包有助于將壓鑄時(shí)混進(jìn)鋁液中的脫模劑、潤滑顆粒、與空氣接觸的氧化鋁液、流動(dòng)前端所卷入的氣孔從型腔排出，存放于渣包內(nèi)，保證鑄件的品質(zhì)。澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖2，表2為澆排系統(tǒng)工藝參數(shù)。
圖2 變速箱支架澆排系統(tǒng)
表2 澆排系統(tǒng)數(shù)據(jù) 2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在鑄件壁厚區(qū)域設(shè)置冷卻水，確保壁厚區(qū)域冷卻效果，避免壁厚區(qū)域出現(xiàn)縮松及縮孔。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)受頂針及型芯位置的影響，難以完全顧及鑄件所有壁厚區(qū)域，但仍要盡可能兼顧模具熱平衡與鑄件壁厚區(qū)域的冷卻。冷卻系統(tǒng)見圖3。
圖3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 上模水路排布采用直通冷卻加水井結(jié)構(gòu)。水路1作用為降低模具澆口側(cè)溫度，保證模具熱平衡；水路2在降低澆口側(cè)溫度時(shí)，冷卻鑄件側(cè)面，避免側(cè)面開模時(shí)出現(xiàn)拉傷、沖料等壓鑄缺陷；水路3起冷卻鑄件的作用，由于鑄件有形狀高低，所以增加冷卻水井，確保鑄件冷卻均勻。 下模水路排布采用直通冷卻加水井結(jié)構(gòu)。水路1作用為冷卻料餅區(qū)域，此區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)鑄型中最厚的區(qū)域，凝固最晚，增加冷卻可縮短此區(qū)域冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；水路2作用為降低模具澆口側(cè)溫度，保證模具熱平衡，水路3在降低澆口側(cè)溫度的同時(shí)冷卻鑄件內(nèi)部，減輕進(jìn)澆口對模具的沖蝕，同時(shí)避免鑄件在此區(qū)域出現(xiàn)的拉傷、沖料等壓鑄缺陷；因?yàn)殍T件有形狀高低，所以增加冷卻水井，使水路跟隨鑄件形狀進(jìn)行冷卻，確保鑄件冷卻均勻。 2.3 模具設(shè)計(jì) 根據(jù)澆排系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)模具見圖4。
圖4 模具設(shè)計(jì)圖 3.數(shù)值模擬與缺陷分析 3.1 模擬參數(shù)設(shè)置 采用CAE軟件對所設(shè)計(jì)壓鑄工藝方案進(jìn)行充型凝固過程模擬。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，澆注溫度為660 ℃，活塞直徑為80 mm，壓射速度低速為0.5 m/s，高速為2.7 m/s。模具材料為SKD61鋼，預(yù)熱溫度為120 ℃，工作溫度為200 ℃。冷卻介質(zhì)設(shè)置為水，控制進(jìn)口水溫為25 ℃。 3.2 充型過程分析 鑄件充型過程反面示意圖見圖5。可以看出，鑄件充型0.2 070 s時(shí)，金屬液通過內(nèi)澆口呈發(fā)散狀進(jìn)入型腔，見圖5a；鑄件充型0.2 117 s時(shí)，鑄件的下端型腔基本填充完成，金屬液往上繼續(xù)填充型腔，見圖5b；鑄件充型0.2 187 s時(shí)，鑄件的中部型腔幾乎填充完成，金屬液開始充填兩側(cè)型腔，兩側(cè)充型過程基本保持同步，有少量金屬液流向溢流槽，見圖5c；鑄件充型0.2 327 s時(shí)，鑄件幾乎填充完成，金屬液流向溢流槽，見圖5d；鑄件充型0.2 3500 s時(shí)，充型完畢。充型分析顯示，當(dāng)充型結(jié)束時(shí)，型腔完全充滿，沒有出現(xiàn)澆不足的現(xiàn)象。
圖5 鑄件充型過程圖 粒子追蹤見圖7，可以看出，金屬液在填充型腔的絕大部分過程中，粒子彎折的情況較少，大部分以流暢的曲線向前充型，充型平穩(wěn)，卷氣情況較少。
圖6 鑄件卷氣順序示意圖
圖7 粒子追蹤圖 3.3 生產(chǎn)缺陷分析 3.3.1 試制缺陷介紹 按照設(shè)計(jì)制造模具后進(jìn)行試模，后續(xù)機(jī)加工及拋丸后對壓鑄件進(jìn)行檢驗(yàn)，尺寸確認(rèn)合格，表面無缺陷。再使用CT設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部孔隙率檢測時(shí)，部分區(qū)域氣孔超過規(guī)定要求，氣孔主要位置見圖8。
圖8 零件氣孔區(qū)域位置圖 3.3.2 模擬分析缺陷的形成原因 鑄件各區(qū)域排氣良好，氣孔出現(xiàn)部位位于澆口遠(yuǎn)端，可能是鋁液中卷氣夾雜沒有徹底排出導(dǎo)致的，結(jié)合現(xiàn)場壓鑄實(shí)際情況，采用現(xiàn)場壓鑄生產(chǎn)參數(shù)再次進(jìn)行模擬分析，模擬分析與實(shí)際缺陷對比見圖9。可以看出，鑄件左側(cè)出現(xiàn)鋁液包卷的趨勢；鑄件中間區(qū)域較慢，有裹氣的風(fēng)險(xiǎn)；鑄件右側(cè)區(qū)域中鋁液流速過快，直接將渣包進(jìn)料位置封堵，使渣包無法再進(jìn)行排氣，缺陷位置與實(shí)際試產(chǎn)情況吻合。
圖9 模擬分析與實(shí)際缺陷對比 4.工藝優(yōu)化 4.1 工藝優(yōu)化措施 對澆排系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，最左側(cè)流道向左加寬5 mm，彌補(bǔ)零件左側(cè)鋁液填充不足；中部區(qū)域的集渣包加深，提高排渣能力；對最右側(cè)流道進(jìn)行封堵，作為集渣包使用，減緩右側(cè)區(qū)域填充速度。工藝優(yōu)化方案見圖10。
圖10 工藝優(yōu)化方案圖 4.2 工藝優(yōu)化驗(yàn)證 調(diào)整后再次采用CAE軟件進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖11。可以看出，調(diào)整左側(cè)流道后，鑄件左側(cè)缺料問題得到解決；取消右側(cè)流道后，右側(cè)充型延遲，右側(cè)區(qū)域氣體可通過渣包排出。
圖11 工藝優(yōu)化模擬結(jié)果 經(jīng)過對工藝修改，產(chǎn)品再次試模，經(jīng)CT檢驗(yàn)后合格。目前已通過載荷實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品正常批量生產(chǎn)。
5.結(jié)論
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