原標題：電動汽車水泵壓鑄件水冷鑲塊水道數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計

壓鑄是獲得高精度和低表面粗糙度鋁合金鑄件的一種高效成形方法，但在壓鑄件中常出現(xiàn)縮孔、縮松和夾雜等缺陷，極大降低了鑄件的力學性能。常用于壓鑄的ADC12鋁合金為Al-Si-Cu系鋁合金，合金中Cu作為強化元素，能固溶于鋁基體中或形成合金相（主要是Al2Cu相和Al5Cu2Mg8Si6相）。材料凝固具有較寬的溫度區(qū)間，在內(nèi)部晶核形成的同時枝晶生長，形成孤立液相區(qū)，這些液相區(qū)最終易形成分散的縮松縮孔缺陷。在外部其凝固溫度的不一致，易導致材料表面的翹曲變形，進而影響其粗糙度。為此，國內(nèi)外研究者展開了大量的研究。目前采用較多的方法是在模具內(nèi)增設(shè)冷卻水道，保證鑄件順序均勻凝固的同時，減少縮松縮孔缺陷發(fā)生的可能性。研究者針對上滑塊無法設(shè)置冷卻水道的問題，進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終使冷卻能力提高了近100%，并有效解決了因擦傷帶來的鑄件缺陷。針對電動汽車鋁合金副車架結(jié)構(gòu)壁厚不均造成的低壓鑄造缺陷，局部增加冷卻鑲塊來消除孤立液相，最終能使得鋁合金冷卻順序凝固，提高了內(nèi)部組織的致密度及鑄件質(zhì)量。采用分級模溫通水設(shè)計，在其內(nèi)部設(shè)計冷卻通道和點冷卻裝置，實現(xiàn)了鑄件成形區(qū)域的溫度平衡。根據(jù)殼體壓鑄件的結(jié)構(gòu)特點，采用點冷和冷卻水道相結(jié)合的措施，得到的鑄件溫度分布較均勻，溫度梯度變化較小。為了避免零件凝固后的翹曲變形，基于塑料加工迭代優(yōu)化冷卻水道布局的程序運用到壓鑄工藝里面，最終優(yōu)化好的水道設(shè)計能生產(chǎn)比傳統(tǒng)模具翹曲更小的零件。研究冷卻水道與模具/嵌件界面之間距離的影響，以及水流速率與界面處接觸壓力的影響，進而通過數(shù)值模擬來幫助優(yōu)化設(shè)計，得到合理的冷卻水道。

壓鑄冷卻過程涉及多種傳熱現(xiàn)象，主要是傳導傳熱、對流傳熱及輻射傳熱，熔體冷卻過程的大部分熱量是通過冷卻劑的對流傳熱散失，剩余少部分熱量才是通過模具外壁自然對流或熱輻射等方式散失。有研究者利用有限元模擬得到了模具熱應力、熱疲勞和鑄件凝固分數(shù)隨冷卻排布間隔變化的規(guī)律，以為錐形件壓鑄模具冷卻水道設(shè)計提供依據(jù)。對比傳統(tǒng)冷卻技術(shù)與隨形冷卻技術(shù)在冷卻過程的差異性，得出了冷卻水道直徑、冷卻水道中心距模具壁面的距離、兩相鄰冷卻水道距離這3個因素對于模具冷卻起最主要影響。

本研究采用鑄造模流軟件對水泵壓鑄件的充型凝固過程進行數(shù)值建模與分析，對比分析傳統(tǒng)冷卻直道與隨形冷卻水道的模擬結(jié)果，得出其對缺陷影響的程度。隨后將隨形冷卻水道系統(tǒng)用于實際生產(chǎn)，X射線探傷觀察鑄件成形質(zhì)量，旨在為相關(guān)生產(chǎn)提供參考。

圖文結(jié)果

水泵座壓鑄件材質(zhì)為ADC12鋁合金，其化學成分見表1。壓鑄模具材質(zhì)為H13鋼。圖1為H13鋼的熱物性變化情況。水泵座的輪廓尺寸為145.7mm×135.1mm×136.3mm，體積為264477.3mm3，質(zhì)量約為0.71kg，水泵壓鑄件三維模型及壓鑄模具見圖2。

用UG檢查功能檢測水泵壓鑄件壁厚（水泵座＋流道＋料餅＋溢流槽），水泵壓鑄件正面、側(cè)面、反面壁厚見圖3。可知壓鑄件平均壁厚為4.78mm，最大厚度為23mm，最小厚度約為1.9mm。除開流道、料餅和溢流槽，水泵座部分壁厚分布不均勻，有7處超過11.5mm的大壁厚（見圓圈標注），主要集中于凹凸結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域、泵座底部和碗形深腔頂部。

表1 ADC12合金的化學成分(%)

圖1 H13鋼特性與溫度關(guān)系圖

圖2 水泵壓鑄件三維模型及壓鑄模

圖3 水泵壓鑄件三面壁厚

針對于碗形深腔頂部增加水道設(shè)計，見圖4。該處連接著兩個內(nèi)澆口，是除了料餅之外，最早受到金屬液充型的地方。其頂部壁厚也是整個水泵座最厚的部位之一，需要在此處設(shè)計冷卻水道，避免鑄件表面的翹曲變形和內(nèi)部縮松縮孔缺陷的發(fā)生。設(shè)計水道直徑過大會使流速變慢，雷諾數(shù)降低，傳熱系數(shù)降低。過小會導致流速變快、冷卻水道間隔太小，導致散熱不好，進而導致產(chǎn)品局部產(chǎn)生缺陷。

（1）傳統(tǒng)冷卻水道方案

采用直線型，通常是直接在模板和模芯中鉆孔得到，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低等特點。原有的冷卻系統(tǒng)就是針對水泵壓鑄件大壁厚部位布置的冷卻水道，共有6條直通水道。在原有傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)深腔頂部中空的結(jié)構(gòu)特征，增設(shè)傳統(tǒng)冷卻直道（圖4中圓圈標注）。

（2）隨形冷卻水道方案

由于深腔頂部的結(jié)構(gòu)復雜，傳統(tǒng)冷卻直道無法在內(nèi)腔進行有效布局，進而無法獲得均勻的溫度梯度，影響了鑄件品質(zhì)。為了解決這個問題，在模具水冷鑲塊內(nèi)腔增設(shè)隨形冷卻水道。冷卻水道的建模大致分為：確定冷卻水道的尺寸和傳熱系數(shù)、確定水道中心線和生成冷卻水道。

圖5為水道離型腔間距與模具熱變形量關(guān)系圖。可以看出，控制水道離型腔間距在11~13mm之間，模具熱變形量趨于極小值，能夠有效平衡熱梯度以及提高模具使用次數(shù)。

圖4 增設(shè)傳統(tǒng)冷卻水道方案

圖5 水道離型腔間距與模具熱變形量關(guān)系圖

為了統(tǒng)一冷卻水道相關(guān)工藝參數(shù)，采用正交試驗得到影響鑄件冷卻均勻性的參數(shù)（水道直徑、水道離型腔間距、水流速度和傳熱系數(shù)）范圍優(yōu)化值。模擬采用傳統(tǒng)水道方案里的模型，因變量取最終凝固時深腔頂部兩點總冷卻時間差值，選擇望小特性，4因素3水平試驗表見表2。得到的冷卻水道范圍優(yōu)化工藝參數(shù)：水道直徑為3.5mm、水道離型腔間距為12mm、水流速度為2.5 L/min、傳熱系數(shù)為3500W/（m2·K）。

提取鑄件深腔凹模的邊緣線一定距離（h=8mm），充分考慮模具深腔頂部圓角處的應力分布及傳熱效應，以凹模頂部圓角位置作為基點，用離型腔距離確定其布置水道的中心點；然后同確定好的水道直徑4.5mm畫圓，在類球殼界面上做螺旋式引導，并與沿著頂部正中心及重力方向的輪廓線相連接，使其覆蓋深腔頂部型腔，見圖6。采用圓形的水道截面和緊貼內(nèi)腔形狀的多層螺旋型結(jié)構(gòu)，可以達到接觸面均勻冷卻的效果。

表2 L9（34）正交試驗表

圖6 增設(shè)隨形冷卻水道方案

首先用UG建立簡易的活塞、壓室和模具，將其連同冷卻水道（傳統(tǒng)冷卻直道和隨形冷卻水道）和水泵壓鑄件（水泵座＋流道＋料餅＋溢流槽）一塊裝配，然后在模流軟件界面進行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格劃分。設(shè)置鑄件面網(wǎng)格尺寸為1mm，冷卻水道面網(wǎng)格尺寸為1.5mm，活塞、壓室和模具面網(wǎng)格尺寸為4mm。帶有傳統(tǒng)冷卻直道的有限元模型面網(wǎng)格數(shù)量為127076，體網(wǎng)格數(shù)量約為245萬，帶有隨形冷卻水道的有限元模型面網(wǎng)格數(shù)量為129052，體網(wǎng)格數(shù)量約為233萬。有限元模型見圖7。模擬的工藝參數(shù)包括澆注溫度為640℃，模具預熱溫度為240℃，活塞快壓射速度為3 m/s，慢壓射速度為0.3m/s，壓室高度為300 mm，可以得到快壓射時間為0.018s，慢壓射時間為0.818s。其活塞運動速度與時間曲線見圖8。

圖7 有限元模型

圖8 活塞運動速度與時間關(guān)系圖

用模流軟件中的void預測模型充型過程中易出現(xiàn)裹氣的部位，見圖9。可以看出，當鑄件充型70%時最開始填充離內(nèi)澆口最近的碗形深腔頂部，而在充型80%的時候，深腔頂部和3個圓孔基本充滿，說明充滿深腔頂部的金屬液流速很快，這不利于內(nèi)部收縮甚至產(chǎn)生縮孔。鑄件充型90%時，除溢流槽和一側(cè)邊圓孔外，鑄件內(nèi)部已經(jīng)充填完畢，而在充型95%時，只有溢流槽部分未充滿，表明側(cè)邊單一圓孔金屬液填充速度過快，容易出現(xiàn)縮孔缺陷。圖10為兩種冷卻水道的鑄件凝固30%時溫度場及溫度趨勢。可見傳統(tǒng)冷卻水道的碗狀深腔溫度約為570℃，而帶有隨形冷卻水道效果更優(yōu)，深腔邊緣溫度約為540℃，頂部為557℃，在型腔內(nèi)部能夠避免熱節(jié)處出現(xiàn)孤立液相區(qū)導致無法補縮的問題，進而避免縮松縮孔缺陷的發(fā)生。

圖11為帶有傳統(tǒng)冷卻水道和隨形冷卻水道模具充型凝固完成后的溫度場，將其沿著XY、XZ方向切片，對比模具溫度變化。從沿著XZ切片圖可以看出，在深腔頂部左外表面上和深腔內(nèi)部溫度隨形水道的冷卻效果優(yōu)于傳統(tǒng)水道。隨形冷卻水道左表面溫度梯度由少部分溫度區(qū)間226.7~268℃轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟛糠郑疑钋粌?nèi)部268.0~309.3℃的溫度呈降低趨勢。圖12為深腔最終凝固時間分布圖。

圖9 充型過程裹氣預測

圖10 鑄件凝固30%過程溫度場以及凝固過程溫度趨勢圖

圖11 模具沿（XY、XZ）方向切片溫度圖

圖12 深腔最終凝固時間分布圖

圖13為傳統(tǒng)冷卻水道和隨形冷卻水道下鑄件縮松縮孔預測圖。可以看出，隨形冷卻水道下鑄件內(nèi)部質(zhì)量更好，在調(diào)整缺陷概率發(fā)生20%的情況下，溢流槽和底部矩形通孔端面都有縮孔缺陷發(fā)生，但在鑄件深腔內(nèi)的最后充型位置A、B處的局部縮松率存在著較大差異。傳統(tǒng)冷卻水道下的鑄件A處出現(xiàn)了縮松，體積為0.1746cm3，而隨形冷卻水道下的縮松體積下降到0.1356cm3；傳統(tǒng)冷卻下B處產(chǎn)生的0.0194cm3縮松體積在使用了隨形冷卻鑲塊后直接消除。

傳統(tǒng)冷卻水道下的鑄件縮松縮孔體積約為0.8436cm3，縮松縮孔發(fā)生平均概率約為25.57%。帶有隨形冷卻水道鑲塊的鑄件縮松縮孔體積約為0.7605cm3，減少了9.8%，縮松縮孔平均發(fā)生概率降低到24.92%。這是由于采用了隨形冷卻的鑄件能夠有效降低深腔頂部壁厚區(qū)域的溫度，使得鑄件與模具間溫差小，保證了金屬液流動暢通，針對孤立液相區(qū)的補縮能力提高，進而降低了縮松縮孔發(fā)生的可能性。

圖13 鑄件縮松縮孔預測圖

將模擬驗證最優(yōu)冷卻方案的隨形冷卻鑲塊安裝到模具上，采用海天HDC400壓鑄機進行實際生產(chǎn)，后處理去除溢流槽后的鑄件見圖14。從外觀能夠初步判斷該鑄件具有較好的表面粗糙度，無明顯翹曲變形。對圖14水泵壓鑄件分成4個區(qū)域進行X射線探傷，觀察鑄件內(nèi)部是否產(chǎn)生縮松縮孔缺陷，結(jié)果見圖15，可以看出鑄件內(nèi)部無缺陷。在水泵座深腔頂部取樣，見圖3a圓圈所示。線切割機切割并用XQ-1鑲嵌試樣，用300~1000目砂紙打磨后用拋光布和W1及W2.5金剛石研磨劑在金相試樣磨拋機上拋光，用體積分數(shù)為0.5%的HF腐蝕，靜置3~5s后用無水乙醇清洗干凈并用吹風機吹干。使用蔡司AxioVertA1光學顯微鏡觀察顯微組織。使用蔡司EVO18型掃描電鏡進行SEM觀察。組織分析見圖16。

圖14 水泵座鑄件

圖15 分區(qū)X射線探傷

圖16 水泵座鑄件微觀分析

結(jié)論

（1）針對水泵壓鑄件深腔頂部位置可能會出現(xiàn)表面翹曲變形、內(nèi)部縮松縮孔缺陷的問題，在分析其結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)因為壁厚過大、金屬液流速過快、溫度過高導致的深腔易發(fā)生缺陷。

（2）提出了在模具內(nèi)增設(shè)傳統(tǒng)冷卻水道和隨形冷卻水道以達到提高鑄件質(zhì)量的方案。結(jié)果顯示，隨形冷卻水道比傳統(tǒng)冷卻水道有更好的冷卻效果，更能加快鑄件深腔凝固速度和抑制縮松縮孔缺陷的發(fā)生。與傳統(tǒng)冷卻水道相比，鑲塊內(nèi)部的縮松縮孔體積由0.8436 cm3減小到0.7605 cm3，縮松縮孔發(fā)生的平均概率只有24.92%，最終凝固時間大部分區(qū)間由6.87~9.28s縮短為4.47~6.87s。

（3）裝有隨形冷卻鑲塊的模具制造生產(chǎn)的鑄件通過X射線探傷技術(shù)、金相組織觀察和SEM觀察，發(fā)現(xiàn)鑄件表面無翹曲變形，內(nèi)部組織晶粒細小且致密度高。

《水泵壓鑄件水冷鑲塊水道數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計》

龔琛普1 龔海軍1 盧紅林2 宋鵬1 劉曉龍1

1.重慶交通大學機電與車輛工程學院；2. 重慶東科模具制造有限公司

本文轉(zhuǎn)自自：《特種鑄造及有色合金》