原標(biāo)題：基于MAGMASOFT的ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件壓鑄方案的優(yōu)化與應(yīng)用

摘要：近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車鋁合金零部件的需求情況對于壓鑄行業(yè)的整體發(fā)展前景有著很大程度的影響，面對日益嚴(yán)峻的行業(yè)競爭現(xiàn)狀與新產(chǎn)品開發(fā)周期的日益縮短，在短時間內(nèi)交付質(zhì)量滿足客戶要求的合格產(chǎn)品將是壓鑄企業(yè)發(fā)展的新方向；本文通過借助MAGMASOFT的DOE功能，在ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件前期，進(jìn)行不同澆注方案和多種工藝參數(shù)模擬分析對比與優(yōu)化，以此選擇最優(yōu)方案，從而減少開發(fā)周期，并保證此產(chǎn)品一次試模成功性和順利量產(chǎn)與交付。

面對全球日益惡化的氣候危機(jī)和日益嚴(yán)峻的節(jié)能減排減污的大趨勢，汽車行業(yè)也將隨著節(jié)能減排與智能化的方向不斷發(fā)展；而在此大環(huán)境下誕生的電子節(jié)氣門系統(tǒng)（Electronic Throttle Control System簡稱ETC），已是當(dāng)前汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，它通過控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量，決定著發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況，保證車輛最佳的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，以此進(jìn)一步控制排放要求。可以預(yù)見，電子節(jié)氣門作為先進(jìn)車輛控制與安全系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，必將與其他先進(jìn)汽車控制技術(shù)一樣具有良好的應(yīng)用前景。

而ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件作為電子節(jié)氣門系統(tǒng)中極其重要的組件之一，必將影響著其系統(tǒng)的可行性和工作的穩(wěn)定性；因此，壓鑄生產(chǎn)出符合要求的ETC節(jié)氣門鋁鑄件將顯得極其重要。本文通過借助MAGMASOFT的DOE功能，在ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件前期，進(jìn)行不同澆注方案和多種工藝參數(shù)模擬分析對比與優(yōu)化，以此選擇最優(yōu)方案，從而減少開發(fā)周期，并保證此產(chǎn)品一次試模成功性和順利量產(chǎn)與交付。

1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析與技術(shù)要求

本文研究的ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件的壓鑄材料牌號為AlSi12Cu1Fe ，其最大外形輪廓尺寸為111mm*109mm*84mm，此鑄件平均厚度為4mm，最大壁厚處的厚度為13mm，產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，孤立高筋位較多，不利于鋁液的有序充填；部分位置壁厚相差較大，薄壁區(qū)域就會出現(xiàn)先凝固成固相狀態(tài)的現(xiàn)象，這就相當(dāng)于將合金液分割成許多小的封閉區(qū)域，從而在厚壁處形成孤立液相區(qū)，當(dāng)這些孤立液相區(qū)內(nèi)的金屬液凝固收縮過程得不到補(bǔ)充時，內(nèi)部就必然會出現(xiàn)縮孔縮松缺陷問題。

由于ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件工作環(huán)境較為復(fù)雜，需做拋丸處理，以強(qiáng)化鑄件的表面質(zhì)量，提高其抗腐蝕能力；產(chǎn)品的配合安裝位置有較高的形位公差與尺寸公差要求；需保證在測漏壓力3bar時的泄漏量小于等于3cc/min，且產(chǎn)品局部區(qū)域的氣縮孔直徑不允許超過0.7mm，總數(shù)不超過5個，間距不小于10mm，同時不超過總面積的10%；因此，對于此壓鑄件，需要有很高的鑄造工藝設(shè)計要求，以保證鑄件內(nèi)部質(zhì)量能達(dá)到客戶的驗收標(biāo)準(zhǔn)；其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1：ETC節(jié)氣門鋁鑄件結(jié)構(gòu)示

2、產(chǎn)品壓鑄方案與工藝參數(shù)設(shè)計

2.1 產(chǎn)品壓鑄方案設(shè)計

壓鑄生產(chǎn)技術(shù)中極為重要的壓鑄澆口設(shè)計環(huán)節(jié)，是決定著壓鑄件質(zhì)量、壓鑄生產(chǎn)效率、模具壽命、壓鑄件的切邊和清理、壓鑄合金的重熔率、壓鑄機(jī)功率的效能等方面都有著深遠(yuǎn)的影響；因此，設(shè)計合理的澆口位置、澆口厚度與大小、澆口數(shù)量是保證壓鑄質(zhì)量合格的關(guān)鍵；從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點與工藝設(shè)計經(jīng)驗分析來看，該ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件適合設(shè)計進(jìn)料口的位置暫有三處；因此，本文將設(shè)計三個不同的壓鑄澆注方案，從理論的填充路徑和流動距離來看，不同的澆注方案會產(chǎn)生不同的填充效果，所以需基于MAGMA模擬軟件的結(jié)果進(jìn)行對比分析驗證；

圖2：壓射方案

2.1.1 澆注方案一設(shè)計

如圖所示，澆注方案一澆口數(shù)量設(shè)計為雙股，分別設(shè)計在電機(jī)安裝位與閥板安裝位的側(cè)壁區(qū)域，選用直徑為60mm的壓射沖頭，壓射速度比為1:14；此澆注方案的優(yōu)點在于金屬液的流程相對較短，對充填過程中的溫度降低值影響較小；設(shè)計三股流道，有利于壓力的傳遞與金屬液的補(bǔ)縮，對減少后期生產(chǎn)過程中出現(xiàn)縮孔缺陷風(fēng)險有一定的正面作用；其缺點是由于產(chǎn)品分型與結(jié)構(gòu)原因，澆道必須設(shè)計有一定的臺階位與薄壁區(qū)域，這些位置在后期的充填過程中容易出現(xiàn)包卷氣體的現(xiàn)象，并將氣體帶入型腔，后期殘留在產(chǎn)品中的可能性較大；另外，此產(chǎn)品電機(jī)安裝位不加工，澆口設(shè)計在此處，容易直接沖刷內(nèi)壁型芯，且澆口位置溫度較高，容易導(dǎo)致電機(jī)安裝位置出現(xiàn)拉模、沖蝕的缺陷；且澆口位置不加工，對于后期壓鑄件的切邊與清理都有一定的負(fù)面影響；

2.1.2 澆注方案二設(shè)計

如圖所示，澆注方案二澆口數(shù)量設(shè)計為一股，位置設(shè)計在閥板安裝位的側(cè)面圓孔區(qū)域，選用直徑為60mm的壓射沖頭，壓射速度比為1:30；此澆注方案的優(yōu)點是澆道可以設(shè)計的比較圓滑過渡，有利于金屬液的充填與減少充填過程中包卷氣體的現(xiàn)象，減少澆道帶入的氣體導(dǎo)致的缺陷；澆口設(shè)計在加工面位置，可以減少壓鑄件切邊和清理的工作量，降低生產(chǎn)成本；單股澆口，可以防止多股金屬液進(jìn)入型腔后相互沖擊造成渦流、卷氣、氧化的現(xiàn)象；其缺點是對于澆口遠(yuǎn)端的熱節(jié)位置的補(bǔ)縮作用基本缺失，需考慮其他的輔助補(bǔ)縮方案；且金屬液的流程相對較長，對充填過程中的金屬液溫度有一定的負(fù)面影響，局部位置可能出現(xiàn)冷料缺陷；

2.1.3 澆注方案三設(shè)計

如圖所示，澆注方案三澆口數(shù)量設(shè)計為一股，位置設(shè)置在閥板安裝位的側(cè)面圓孔區(qū)域，選用直徑為60mm的壓射沖頭，壓射速度比為1:30；此澆道的優(yōu)點是澆口設(shè)計在加工面位置，可以減少壓鑄機(jī)切邊與清理的工作量，降低生產(chǎn)成本，澆道設(shè)計為直線充填的樣式，可以使鋁液充填行程減少，鋁液的溫度損失量減少；沖頭與澆口距離短，可以保證沖頭壓力的有效傳遞；其缺點是后期生產(chǎn)調(diào)節(jié)參數(shù)的靈活性較差，無法通過調(diào)整壓鑄參數(shù)改善產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 產(chǎn)品工藝參數(shù)方案設(shè)計

根據(jù)對ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件的結(jié)構(gòu)分析與質(zhì)量要求，此產(chǎn)品選用350T壓鑄機(jī)，一模一腔設(shè)計，鑄造壓力設(shè)置為100MPa，保證有足夠的補(bǔ)縮效率，減少后期縮孔缺陷的出現(xiàn)；澆注溫度設(shè)計為660-680℃，動定模芯預(yù)熱至180-200℃；充填時低速設(shè)置為0.25m/s,高速速度設(shè)置為3m/s，高速切換點分別測試340mm與350mm兩個位置，以此確定出金屬液最平穩(wěn)的充填狀態(tài)和最少渦流與卷氣的現(xiàn)象；同時采用線冷加點冷的溫控系統(tǒng)，保證模具的熱平衡狀態(tài)良好；

3、一鍵式導(dǎo)入的數(shù)值模擬與對比分析

鑄件的充填與凝固過程控制對壓鑄件的質(zhì)量有著決定性影響，但由于這兩個過程在生產(chǎn)過程中都是在密閉不可見的型腔中完成，無法直接或間接觀測與分析，因此前期的數(shù)值模擬就尤為重要；通過使用邁格碼DOE功能，一鍵式導(dǎo)入上述三種壓射方案與兩個測試高速切換位置，一次性計算出多種方案，最快速預(yù)測出缺陷位置，找出最佳方案，提升產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，減少開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。

3.1 充填過程模擬與分析

如圖3所示，圖片第一排模擬結(jié)果為充型時間，前三個方案的高速切換位置為340mm，充型時間短，后三個方案的高速切換位置為350mm，充型時間長，同時亮色位置為三種壓射方案最后充型的位置；

圖片第二排結(jié)果為最大氣壓結(jié)果，模擬結(jié)果亮色處為高氣壓位置，氣孔風(fēng)險大。通過對比發(fā)現(xiàn)，方案二與方案五氣壓值相對較低，氣孔風(fēng)險相對較小；

圖片第三排結(jié)果為充型卷氣結(jié)果，模擬結(jié)果亮色位置含氣量高，泄露風(fēng)險性大。通過對比發(fā)現(xiàn)，方案二與方案五卷氣值相對較低，泄露風(fēng)險相對較小；

綜合充型過程模擬結(jié)果分析，方案二與方案五的氣壓與卷氣相對較低，而方案二高速切換位置靠前，充型時間短，所以整體成型性良好。

圖3：充型結(jié)果分析對比

3.2 凝固過程模擬與分析

如圖4所示，圖片第一排結(jié)果為凝固溫度場。模擬結(jié)果顯示，方案三與方案六的內(nèi)澆口凝固時間最長，壓力補(bǔ)縮時間最長；方案一與方案四次之，壓力補(bǔ)縮時間居中；方案二與方案五的內(nèi)澆口凝固時間最短，壓力補(bǔ)縮時間也是最短的；

第二排結(jié)果為熱節(jié)有效補(bǔ)縮時間，模擬結(jié)果亮色處為產(chǎn)品熱節(jié)位置，也就是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對厚大，最后凝固的位置。方案一，二，四，五熱節(jié)位置基本相同。方案三與方案六內(nèi)澆口相對較厚，所以將內(nèi)澆口處兩個熱節(jié)連接一起，熱節(jié)增大；

第三排結(jié)果為縮孔結(jié)果，因為壓力補(bǔ)縮的原因，方案三與方案六的縮孔狀態(tài)最小，其余四個方案的縮孔基本相差不大，比較下來，方案二與方案五相對較小些。

綜合凝固過程模擬結(jié)果分析，方案三與方案六的縮孔最小，但其內(nèi)澆口處熱節(jié)最大，方案二與方案五的熱節(jié)與縮孔結(jié)果相對更優(yōu)。

圖4：凝固結(jié)果分析對比

4、生產(chǎn)驗證

綜合模擬分析，采用澆注方案二進(jìn)行生產(chǎn)，圖5為ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件的生產(chǎn)圖片；通過對產(chǎn)品的檢測與X光探傷，鑄件未出現(xiàn)超出客戶質(zhì)量要求的氣孔與縮孔缺陷；也通過了側(cè)漏要求，未出現(xiàn)泄漏情況；鑄件表面光亮，無明顯的冷料、澆不足的缺陷出現(xiàn)，整體效果完全滿足客戶的質(zhì)量檢測要求，順利量產(chǎn)。

圖5：ETC節(jié)氣門鋁殼體鑄件實物圖

作者：

侯小華  
廣東文燦模具有限公司