原標題：鋁合金后端蓋壓鑄工藝優化及局部擠壓設計

摘要

分析了鋁合金后端蓋鑄件結構工藝性，根據壓鑄工藝經驗公式設計了澆注系統。采用Flow-3D軟件進行數值模擬，發現后端蓋鑄件懸置孔區域不能實現金屬液順序充填。根據數值模擬結果修改澆注系統設計并進行實際生產，鑄件厚壁區域產生縮孔缺陷。針對厚壁區域設計局部擠壓工藝，在其凝固過程中進行擠壓補縮，消除了后端蓋鑄件懸置孔部位縮孔缺陷。

國內壓鑄件產品呈現多元化特征，涵蓋領域包括汽車、通訊、五金、玩具、家電、航空等。目前國內每年壓鑄件產量約210萬噸，其中鋁合金壓鑄件占總產量的3/4。ADC12鋁合金壓鑄件具有成品率高、密度小、強度高、加工性能好等特點，適合大批量生產，廣泛應用于新能源汽車和電子通訊領域。鋁合金后端蓋是新能源汽車驅動電機的重要部件，它既是電機外殼的一部分，又兼有軸承座功能，需具備足夠強度和剛度以支撐轉子運動，同時容納軸承供油的油路和電子控制的線路。

1、產品結構分析

后端蓋結構如圖1所示，材質ADC12，屬于Al-Si-Cu系鋁合金。壓鑄件殼體區域壁厚5mm，結構復雜，中心有一處直徑為60 mm的軸承孔，背面有5處直徑29 mm的厚大懸置孔，容易產生縮孔、縮松缺陷。

圖1 后端蓋壓鑄件結構

2、壓鑄工藝設計

2.1 分型面選取

分型面設計如圖2所示。為了從型腔中順利取出后端蓋壓鑄件，在鑄件最大截面處設置分型面，并綜合考慮包緊力的影響，使壓鑄件在開模后留在動模處，利用動模上的頂桿推出工件。

圖2 分型面設置示意圖

2.2 澆注系統設計

后端蓋圓盤側有5處懸置孔，壁厚較厚，是氣孔和縮孔發生的高風險區域，因此模具設計時優先將內澆道布置在該處，以提高此區域的補縮效果。同時，該處結構復雜難以排氣，優先填充該區域使冷料流向末端，可減少卷氣缺陷。內澆道截面積按流量經驗公式

（1）計算：

式中：Ag 為內澆道截面積；G為通過內澆道的金屬液質量，根據3D模型測算為2 983g；ρ為金屬液密度，取2.4g/cm³ ；vg 為內澆道處金屬液的充填速度，取40 m/s；t為充型時間，取0.05s；計算得內澆道截面積為621 m㎡ 。

橫澆道厚度尺寸過小會降低金屬液溫度，過大則冷卻速度緩慢，影響生產率，增大金屬消耗。橫澆道厚度由經驗公式（2）確定：

D=（5~8）T （2）

式中：D為橫澆道厚度，T為內澆道厚度，取D=25 mm。橫澆道的截面積形狀設計為扁梯形，截面積大小從直澆道到內澆道保持均勻漸縮變化。

2.3 溢流系統設計

溢流系統能夠及時地收集冷污金屬液，排出型腔中的氣體，抵消渦流，對鑄件起到部分補縮作用?？紤]到充填距離較長，金屬液抵達型腔尾部時熱量損失大，因此在金屬液最后充填的位置設置多道溢流槽。完整的澆注系統與溢流系統設計如圖3所示。

圖3 后端蓋鑄件壓鑄工藝

3、數值模擬與工藝優化

3.1 前處理

采用Flow-3D軟件對設計的壓鑄工藝進行數值模擬驗證。將計算域內三維幾何模型以stl格式導入軟件中，設置網格單元尺寸為0.15cm，模具材料設為H13，壓鑄件材料設為ADC12，流動模式設為紊流模型，工藝參數的設置見表1。

表1 工藝參數

3.2 初始方案

充型過程數值模擬結果如圖4所示。從圖中可以看出，t=0.3578 s時刻，金屬液首先從中間的內澆道進入型腔；t=0.3578 s時刻，3個橫澆道的金屬液在中心匯流；t=0.3889 s時刻，整個型腔的輪廓大部分填充完畢；t=0.3966 s時刻，整個鑄件基本充填完畢。從金屬液進入內澆道開始到填充完成，產品填充全程時間為0.0388 s。從圖4d可以看出，A區域標記的懸置孔未完成充填，此時該區域周圍已經被金屬液包圍，卷入該處的氣體將難以排出，需要對澆注系統進行優化。

圖4 充型過程數值模擬結果

3.3 優化方案

根據鑄件的結構特點和初始工藝方案數值模擬結果，將中間的內澆道分為兩支，調整進料的角度有利于優先充填鑄件前端的厚壁區域。優化后的內澆道設計如圖5所示。

圖5 優化后的澆注系統

澆注系統優化后鑄件充型過程數值模擬結果如圖6所示，由圖可見，t=0.3694s時刻，金屬液通過內澆道開始充填型腔；t=0.3852 s時刻，開始充填中心軸承孔位置，金屬液流動平穩；t=0.3927 s時刻，首先進入型腔的金屬液進入溢流槽，將夾雜的氣體與氧化物帶入溢流槽，此時壓鑄件基本充填完畢，與初始工藝相比，有缺陷的懸置孔區域充型狀況良好；t=0.4004 s時刻充型完畢，充型過程時長約為0.031 s，金屬液充填順序良好，鑄件輪廓清晰。

圖6 優化澆注系統后充型過程數值模擬結果

4、局部擠壓工藝

根據優化工藝設計制備模具并進行試產，鋁合金材料選擇ADC12，壓鑄機為DCC800T臥室冷室壓鑄機，壓鑄過程中對模具型腔抽真空，以減少鋁液流動過程夾雜和氣體卷入量，提高填充質量。經X射線無損探傷檢測發現，產品部分位置存在較多縮松，如圖7所示。分析該缺陷產生的原因是此處壁厚尺寸較大，凝固較晚，中心熱節補縮不足。綜合考慮模具結構與生產實際情況，確定采用局部擠壓工藝進行優化。

圖7 無損探傷結果

局部擠壓是在模具中增加擠壓銷，通過油缸推動擠壓銷，對鑄件縮孔部位加壓，強制補縮，可獲得高品質的壓鑄件。擠壓位置如圖8所示，設置兩支直徑分別為9 mm與6 mm的擠壓銷。

圖8 局部擠壓設計

擠壓油缸直徑的選取由式（3）確定：

                     P系統油壓S油缸 =P擠壓S擠壓銷   （3）

產品制造采用力勁DCC800T壓鑄機，該設備的P系統油壓 為14MPa，P擠壓 的數值為鑄造應力的3~4倍，取360 MPa，S擠壓銷 為擠壓銷截面積，計算得油缸內徑為57 mm。考慮到擠壓過程中擠壓銷與擠壓套間有一定滑動間隙，鋁屑容易進入，造成摩擦力增大，將油缸內徑向上選取為80 mm，以克服運動阻力和機械能消耗。

擠壓延遲時間是充型完成后至局部擠壓開始的時間，在鑄造過程中，當金屬液處于半固態狀態時開始擠壓可以獲得最佳的擠壓效果。擠壓持續時間是指擠壓銷開始擠壓直到回退時所持續的時間。通過試驗，確定延遲時間為1.5 s，持續時間為10 s。

對模具結構優化后進行生產，經檢驗，設置局部擠壓后的壓鑄件產品質量良好，X射線探傷結果如圖9所示，無明顯孔洞缺陷。

圖9 工藝優化后鑄件無損探傷結果

5、結束語

（1）通過對鋁合金后端蓋結構工藝性分析、壓鑄工藝設計和數值模擬優化，并采取改變內澆道數量和角度工藝措施，實現了金屬液順序填充。

（2）在厚壁區域設計局部擠壓工藝，延遲時間1.5 s，持續時間10 s，消除了該區縮孔缺陷，得到合格鑄件。

作者

李光浩
寧波博大機械有限公司
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寧波大學機械工程與力學學院
浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室

本文來自：鑄造雜志