原標(biāo)題：鋁合金后端蓋壓鑄工藝優(yōu)化及局部擠壓設(shè)計(jì)

摘要

分析了鋁合金后端蓋鑄件結(jié)構(gòu)工藝性，根據(jù)壓鑄工藝經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)了澆注系統(tǒng)。采用Flow-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)后端蓋鑄件懸置孔區(qū)域不能實(shí)現(xiàn)金屬液順序充填。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果修改澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，鑄件厚壁區(qū)域產(chǎn)生縮孔缺陷。針對(duì)厚壁區(qū)域設(shè)計(jì)局部擠壓工藝，在其凝固過(guò)程中進(jìn)行擠壓補(bǔ)縮，消除了后端蓋鑄件懸置孔部位縮孔缺陷。

國(guó)內(nèi)壓鑄件產(chǎn)品呈現(xiàn)多元化特征，涵蓋領(lǐng)域包括汽車(chē)、通訊、五金、玩具、家電、航空等。目前國(guó)內(nèi)每年壓鑄件產(chǎn)量約210萬(wàn)噸，其中鋁合金壓鑄件占總產(chǎn)量的3/4。ADC12鋁合金壓鑄件具有成品率高、密度小、強(qiáng)度高、加工性能好等特點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)和電子通訊領(lǐng)域。鋁合金后端蓋是新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要部件，它既是電機(jī)外殼的一部分，又兼有軸承座功能，需具備足夠強(qiáng)度和剛度以支撐轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，同時(shí)容納軸承供油的油路和電子控制的線(xiàn)路。

1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

后端蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示，材質(zhì)ADC12，屬于Al-Si-Cu系鋁合金。壓鑄件殼體區(qū)域壁厚5mm，結(jié)構(gòu)復(fù)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(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

圖1 后端蓋壓鑄件結(jié)構(gòu)

2、壓鑄工藝設(shè)計(jì)

2.1 分型面選取

分型面設(shè)計(jì)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(shè)置分型面，并綜合考慮包緊力的影響，使壓鑄件在開(kāi)模后留在動(dòng)模處，利用動(dòng)模上的頂桿推出工件。

圖2 分型面設(shè)置示意圖

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

后端蓋圓盤(pán)側(cè)有5處懸置孔，壁厚較厚，是氣孔和縮孔發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，因此模具設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先將內(nèi)澆道布置在該處，以提高此區(qū)域的補(bǔ)縮效果。同時(shí)，該處結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以排氣，優(yōu)先填充該區(qū)域使冷料流向末端，可減少卷氣缺陷。內(nèi)澆道截面積按流量經(jīng)驗(yàn)公式

（1）計(jì)算：

式中：Ag 為內(nèi)澆道截面積；G為通過(guò)內(nèi)澆道的金屬液質(zhì)量，根據(jù)3D模型測(cè)算為2 983g；ρ為金屬液密度，取2.4g/cm³ ；vg 為內(nèi)澆道處金屬液的充填速度，取40 m/s；t為充型時(shí)間，取0.05s；計(jì)算得內(nèi)澆道截面積為621 m㎡ 。

橫澆道厚度尺寸過(guò)小會(huì)降低金屬液溫度，過(guò)大則冷卻速度緩慢，影響生產(chǎn)率，增大金屬消耗。橫澆道厚度由經(jīng)驗(yàn)公式（2）確定：

D=（5~8）T （2）

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

2.3 溢流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溢流系統(tǒng)能夠及時(shí)地收集冷污金屬液，排出型腔中的氣體，抵消渦流，對(duì)鑄件起到部分補(bǔ)縮作用。考慮到充填距離較長(zhǎng)，金屬液抵達(dá)型腔尾部時(shí)熱量損失大，因此在金屬液最后充填的位置設(shè)置多道溢流槽。完整的澆注系統(tǒng)與溢流系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 后端蓋鑄件壓鑄工藝

3、數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化

3.1 前處理

采用Flow-3D軟件對(duì)設(shè)計(jì)的壓鑄工藝進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。將計(jì)算域內(nèi)三維幾何模型以stl格式導(dǎo)入軟件中，設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸為0.15cm，模具材料設(shè)為H13，壓鑄件材料設(shè)為ADC12，流動(dòng)模式設(shè)為紊流模型，工藝參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 工藝參數(shù)

3.2 初始方案

充型過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，t=0.3578 s時(shí)刻，金屬液首先從中間的內(nèi)澆道進(jìn)入型腔；t=0.3578 s時(shí)刻，3個(gè)橫澆道的金屬液在中心匯流；t=0.3889 s時(shí)刻，整個(gè)型腔的輪廓大部分填充完畢；t=0.3966 s時(shí)刻，整個(gè)鑄件基本充填完畢。從金屬液進(jìn)入內(nèi)澆道開(kāi)始到填充完成，產(chǎn)品填充全程時(shí)間為0.0388 s。從圖4d可以看出，A區(qū)域標(biāo)記的懸置孔未完成充填，此時(shí)該區(qū)域周?chē)呀?jīng)被金屬液包圍，卷入該處的氣體將難以排出，需要對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 充型過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果

3.3 優(yōu)化方案

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和初始工藝方案數(shù)值模擬結(jié)果，將中間的內(nèi)澆道分為兩支，調(diào)整進(jìn)料的角度有利于優(yōu)先充填鑄件前端的厚壁區(qū)域。優(yōu)化后的內(nèi)澆道設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)優(yōu)化后鑄件充型過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示，由圖可見(jiàn)，t=0.3694s時(shí)刻，金屬液通過(guò)內(nèi)澆道開(kāi)始充填型腔；t=0.3852 s時(shí)刻，開(kāi)始充填中心軸承孔位置，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)；t=0.3927 s時(shí)刻，首先進(jìn)入型腔的金屬液進(jìn)入溢流槽，將夾雜的氣體與氧化物帶入溢流槽，此時(shí)壓鑄件基本充填完畢，與初始工藝相比，有缺陷的懸置孔區(qū)域充型狀況良好；t=0.4004 s時(shí)刻充型完畢，充型過(guò)程時(shí)長(zhǎng)約為0.031 s，金屬液充填順序良好，鑄件輪廓清晰。

圖6 優(yōu)化澆注系統(tǒng)后充型過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果

4、局部擠壓工藝

根據(jù)優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)制備模具并進(jìn)行試產(chǎn)，鋁合金材料選擇ADC12，壓鑄機(jī)為DCC800T臥室冷室壓鑄機(jī)，壓鑄過(guò)程中對(duì)模具型腔抽真空，以減少鋁液流動(dòng)過(guò)程夾雜和氣體卷入量，提高填充質(zhì)量。經(jīng)X射線(xiàn)無(wú)損探傷檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品部分位置存在較多縮松，如圖7所示。分析該缺陷產(chǎn)生的原因是此處壁厚尺寸較大，凝固較晚，中心熱節(jié)補(bǔ)縮不足。綜合考慮模具結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)實(shí)際情況，確定采用局部擠壓工藝進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 無(wú)損探傷結(jié)果

局部擠壓是在模具中增加擠壓銷(xiāo)，通過(guò)油缸推動(dòng)擠壓銷(xiāo)，對(duì)鑄件縮孔部位加壓，強(qiáng)制補(bǔ)縮，可獲得高品質(zhì)的壓鑄件。擠壓位置如圖8所示，設(shè)置兩支直徑分別為9 mm與6 mm的擠壓銷(xiāo)。

圖8 局部擠壓設(shè)計(jì)

擠壓油缸直徑的選取由式（3）確定：

                     P系統(tǒng)油壓S油缸 =P擠壓S擠壓銷(xiāo)   （3）

產(chǎn)品制造采用力勁DCC800T壓鑄機(jī)，該設(shè)備的P系統(tǒng)油壓 為14MPa，P擠壓 的數(shù)值為鑄造應(yīng)力的3~4倍，取360 MPa，S擠壓銷(xiāo) 為擠壓銷(xiāo)截面積，計(jì)算得油缸內(nèi)徑為57 mm。考慮到擠壓過(guò)程中擠壓銷(xiāo)與擠壓套間有一定滑動(dòng)間隙，鋁屑容易進(jìn)入，造成摩擦力增大，將油缸內(nèi)徑向上選取為80 mm，以克服運(yùn)動(dòng)阻力和機(jī)械能消耗。

擠壓延遲時(shí)間是充型完成后至局部擠壓開(kāi)始的時(shí)間，在鑄造過(guò)程中，當(dāng)金屬液處于半固態(tài)狀態(tài)時(shí)開(kāi)始擠壓可以獲得最佳的擠壓效果。擠壓持續(xù)時(shí)間是指擠壓銷(xiāo)開(kāi)始擠壓直到回退時(shí)所持續(xù)的時(shí)間。通過(guò)試驗(yàn)，確定延遲時(shí)間為1.5 s，持續(xù)時(shí)間為10 s。

對(duì)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng)檢驗(yàn)，設(shè)置局部擠壓后的壓鑄件產(chǎn)品質(zhì)量良好，X射線(xiàn)探傷結(jié)果如圖9所示，無(wú)明顯孔洞缺陷。

圖9 工藝優(yōu)化后鑄件無(wú)損探傷結(jié)果

5、結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)鋁合金后端蓋結(jié)構(gòu)工藝性分析、壓鑄工藝設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬優(yōu)化，并采取改變內(nèi)澆道數(shù)量和角度工藝措施，實(shí)現(xiàn)了金屬液順序填充。

（2）在厚壁區(qū)域設(shè)計(jì)局部擠壓工藝，延遲時(shí)間1.5 s，持續(xù)時(shí)間10 s，消除了該區(qū)縮孔缺陷，得到合格鑄件。

作者

李光浩
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本文來(lái)自：鑄造雜志