原標題 浙江大學&寧波拓普：某汽車后艙一體化壓鑄件工藝分析及缺陷改善

導讀

汽車輕量化是應對汽車保有量快速增長帶來的能源和環境問題的有效措施，因此得到車企的廣泛重視。汽車后艙是底盤系統的一個重要結構件，為懸架系統和車內座艙等零部件提供安裝位置，起到良好的承載支撐作用，其品質直接影響著整車的穩定性、舒適性、耐久性、NVH以及抗碰撞性等性能。由于汽車后艙壓鑄件體積大、壁厚不均，且結構復雜，在壓鑄生產過程中，尤其是充型末端，容易產生氣孔缺陷，對壓鑄件的品質產生影響。提高壓鑄件品質是保證整車安全的關鍵，研究者使用CAE技術分析了壓鑄件的缺陷，發現模具結構是決定壓鑄件品質的關鍵。通過修改模具結構并結合數值模擬技術研究了壓鑄缺陷，發現優化模具排溢結構設計有助于減少鑄造缺陷。舒虎平發現優化溢流槽結構，能夠有效排出金屬液中的空氣，防止氣孔缺陷的產生。本研究以某品牌汽車后艙壓鑄件為對象，通過對其壓鑄工藝設計、壓鑄缺陷的原因分析及工藝優化，減少壓鑄生產時缺陷的產生，探討大型一體化壓鑄件成形工藝優化與缺陷控制方法，旨在為其應用提供參考。

圖文結果

所研究的鋁合金汽車后艙，外形尺寸為1 591 mm×1 311 mm×777 mm，毛坯質量為63.377 kg，屬于大型一體化壓鑄件，其結構復雜，存在許多加強筋，壁厚不均，主體平均壁厚僅為2.5 mm，最厚處超過10 mm，見圖1。由于產品幾何尺寸較大，熱處理難度較高，為了滿足生產要求，選用商用JDA1B免熱處理鋁合金。該合金強度高，延展性適中，焊接性良好，適用于結構件高壓壓鑄，性能可以較好地滿足零件力學性能要求，有效提高制品良品率。

由于該鑄件為框架結構且鑄件幾何尺寸極大，為保證壓鑄時金屬液填充流程最短，且流至型腔各部位的距離盡量相近，采用中心進料的方式，使得填充路徑減少曲折和避免過多的迂回，實現鋁液沿型腔全周順序填充，控制金屬液的凝固時間，以達到提升產品品質的目的。由于本研究只對U型槽部位進行缺陷分析及其品質優化，因此只展示壓鑄件U型槽部位及其周邊澆注系統（對應圖1方框處），見圖1b。結合本產品的壁厚及結構特點，將模具的預熱溫度設為150 ℃，金屬液的澆注溫度控制在720 ℃。澆注速度分為低速和高速兩個階段，低速設為0.2 m/s，高速設為6.5 m/s。主要生產工藝參數見表1。

Flow-3D 能夠應用于多種鑄造場景，特別是存在復雜金屬液流動場景的大型一體化壓鑄過程，因此使用該軟件對壓鑄過程進行數值模擬分析。根據確定的壓鑄工藝方案對U型槽區域充型過程進行分析，結果見圖2。可知金屬液對U型槽型腔填充完畢后，多余鋁液流入U型槽位置渣包內，但在填充結束前，U型槽右側渣包已被鋁液填充完畢，多余鋁液只能流入溢流槽。由于原方案中該溢流槽與U型槽處渣包相連，這股鋁液會通過溢流槽對U型槽處的鋁液形成沖擊，并將一部分氣體卷積在此處，產生氣孔。

圖1 汽車后艙壓鑄件及局部結構
1.溢流槽   2.鑄件   3.中心澆道

表1 汽車后艙壓鑄工藝參數

圖2 鑄件充型過程

U型槽區域是汽車后艙壓鑄件中起到承載支撐作用的關鍵位置，應滿足伸長率≥5%的要求。通過分析可知，該區域的卷氣現象嚴重，易產生氣孔缺陷并造成伸長率不滿足生產要求的問題，因此需對圖3所示位置進行取樣并進行拉伸測試，確認U型槽區域的力學性能，選取3個試樣測試并取平均值。在汽車后艙壓鑄件對應位置切下尺寸為70 mm×30 mm×4 mm試樣，使用線切割機床加工為55 mm×15 mm×4 mm的拉伸試樣，見圖4，并用1 200號砂紙打磨表面及棱角，確保無刀痕、無毛邊、無毛刺（圓角＜1 mm）。使用UTM5105X萬能試驗機按照GB/T 228.1-2010標準進行拉伸試驗，結果見圖5。3個樣件的伸長率只有產品要求的76.4%、90.2%和80.0%，未達到合格標準，同時進一步通過X光分析確認缺陷類型，結果見圖6，確認該位置存在氣孔缺陷。

圖3 試樣切割位置

圖4 拉伸試樣尺寸示意圖

圖5 樣件伸長率測試結果

圖6 樣件X光結果

針對該部位氣孔缺陷，主要通過優化排溢系統實現對缺陷進行改善。結合鑄件充型與凝固過程的流場分析發現，已填充完的U型槽區域的渣包金屬液仍具有較高的流動性，被相連的溢流槽中沖出的金屬液沖擊后會產生卷氣，影響了鑄件成形品質。
原方案（見圖7）排溢系統設計不合理，U型槽處的渣包與其右側渣包通過溢流槽相連，兩處型腔的充型速度不一，導致后填充完成的鋁液相互串流產生干涉，影響充型品質。優化后排溢系統見圖8，將U型槽渣包與其右側渣包相連的溢流槽進行截斷，防止與后續生產的Al液干涉，并為U型槽處的渣包進行單獨引出排氣。

圖7 優化前的排溢系統

圖8 優化后的排溢系統

忽略除了U型槽以外的鑄件充型過程流場，只對充型末端U型槽及其渣包和溢流槽區域的充型過程流場進行分析。圖9為優化排溢系統后的壓鑄流場。可以看出，在鑄件的充型過程中，充型末端U型槽區域的渣包填充速度依然比與其相連的溢流槽快，后續溢流槽中仍沖出一部分金屬液至U型槽渣包區域，導致渣包區域出現一定卷氣，形成品質較差區域。根據優化后的方案重新改進模具澆注系統，獲得的壓鑄件表面光潔，無明顯缺陷。采用X光探傷設備檢測鑄件的內部品質，結果見圖10。在鑄件充型末端U型槽內部均無明顯的氣孔、裂紋等缺陷，鑄件內部結構致密，品質良好，這說明優化方案能夠有效地提高鑄件品質。圖11為排溢系統優化后U型槽處樣件的伸長率。可以看出，鑄件U型槽處的伸長率得到了較大的改善。

圖9 優化排溢系統后的U型槽區域的壓鑄流場

圖10 優化后樣件X光結果

圖11 鑄件的伸長率

結論

（1）通過計算機仿真軟件對鑄件充填過程進行模擬分析和伸長率測試，并結合X光探傷，對鑄件伸長率不足的原因做出分析。

（2）通過降低金屬液澆注溫度和優化排溢系統，發現優化后的鑄件U型槽處的伸長率得到了明顯提高，優化后的伸長率比優化前平均提高了約30%。

作者：

盧燦雄1,2 羅維2 李繼強2 賈志欣2 劉立君2 吳士榮3 楊斌3 孫麗麗3 郭濤3

1.浙江大學機械工程學院；2.浙大寧波理工學院機電與能源工程分院；3. 寧波拓普汽車電子有限公司

本文轉載自：《特種鑄造及有色合金》