汽車(chē)殼體零件壓鑄工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦新宇，朱銳祥

合肥工業(yè)大學(xué)材料與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

由于鋁合金汽車(chē)零件具有重量輕、硬度高的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化，越來(lái)越多的鋁合金壓鑄件已應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)中．在高質(zhì)量壓鑄件生產(chǎn)中除了需要先進(jìn)的設(shè)備和壓鑄材料外，壓鑄過(guò)程中影響因素的控制也十分重要．在壓鑄生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程中有許多因素會(huì)影響鑄件的質(zhì)量，如澆鑄溫度、壓鑄速度、模具溫度、填充壓力和保持時(shí)間、注射壓力和保留時(shí)間等，其中三個(gè)關(guān)鍵因素—澆鑄溫度、壓鑄機(jī)的注射速度和模具再加熱溫度對(duì)鑄件的充型率影響最大．通過(guò)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體零配件的研究，旨在揭示殼體零件的壓鑄規(guī)律．對(duì)于類(lèi)似的殼體壓鑄成型，具有工業(yè)參考價(jià)值．

1 鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)

用于外殼的材料為鋁合金(代號(hào)為ADC12)，其組成成分列于表1．

表1 ADC12的化學(xué)成分

外殼的三維模型如圖1所示．從圖1可以看出：壓鑄件的形狀相對(duì)復(fù)雜，壁厚不均勻．從整體分析來(lái)看：壓鑄件的最大長(zhǎng)度為275 mm，最大寬度為185 mm，最大高度為105 mm；壓鑄件的最大厚度為10 mm，最小厚度為3 mm，平均壁厚為5 mm；壓鑄體積為586 794 mm3，質(zhì)量為1 584 g．從圖1中還可以看出，壓鑄件有兩個(gè)突出部分，突出部分的壁厚在填充過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)基底和氣孔等缺陷[1]．

圖1 外殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the outer casing

1.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.2.1 澆口設(shè)計(jì)

由于鑄件的形狀復(fù)雜，可以選擇兩個(gè)較薄的內(nèi)澆口．根據(jù)內(nèi)澆口厚度一般不超過(guò)連接壓鑄件壁厚一半的原則，鑄件澆口的厚度設(shè)計(jì)為2.5 mm．根據(jù)鑄件的形狀，最終確定了兩個(gè)內(nèi)澆口，澆口的尺寸分別為105 mm×2.5 mm和30 mm×2.5 mm．澆口是傳動(dòng)壓力的主要部分，澆口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選擇生產(chǎn)的壓鑄機(jī)類(lèi)型有關(guān)[2]．試驗(yàn)所選擇的壓鑄機(jī)型號(hào)是UBE350，沖頭直徑為75 mm．流道直徑為28 mm．

1.2.2 澆道及排溢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑄件的直澆道、橫澆道及內(nèi)澆道如圖2所示．在各澆道設(shè)計(jì)完成后對(duì)鑄件進(jìn)行溢流槽的設(shè)計(jì)，溢流槽尺寸為長(zhǎng)40 mm、寬25 mm和厚12 mm．另外，由于鑄件的特殊結(jié)構(gòu)，在中間設(shè)置橢圓形溢流槽，其長(zhǎng)軸為55 mm、短軸為35 mm、厚度為12 mm．圖3為溢流槽的二維圖．

圖2 澆注系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the pouring system

圖3 溢流槽的二維圖(a)側(cè)面；(b)頂部Fig.3 2D view of the overflow trough(a) side；(b) top

2 鑄造仿真及優(yōu)化

在確定澆鑄系統(tǒng)及排溢系統(tǒng)后，使用Anycasting模擬軟件對(duì)鑄造澆鑄過(guò)程進(jìn)行軟件模擬分析．

2.1 分析模擬

將后綴igs格式的文件導(dǎo)入Anycasting模擬軟件中，同時(shí)對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分．網(wǎng)格的大小設(shè)置為1，所畫(huà)出的體網(wǎng)格數(shù)在六萬(wàn)左右．將鑄造工藝參數(shù)中鑄件材料設(shè)置為AlSi9Cu3，模具材料設(shè)置為45號(hào)鋼，澆鑄溫度選擇640 ℃,注射速度設(shè)置為2 m/s，模具溫度選擇220 ℃．設(shè)置基本參數(shù)后，啟動(dòng)模擬過(guò)程[3]．填充結(jié)果如圖4所示．從圖4可以發(fā)現(xiàn)，鑄件充型過(guò)程平穩(wěn)，未出現(xiàn)紊流等現(xiàn)象．

圖4 鑄造過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagram of the casting process

圖5為鑄件收縮量．從圖5可以看出，鑄件整體收縮體積不大，但下部凸邊處仍有一定的縮孔(圖中圓圈部分)．因此，可以在此處加入溢流槽，以達(dá)到改善收縮腔的目的[4]．

圖5 鑄件收縮量Fig.5 Casting shrinkage

2.2 澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于圖5圓圈中的收縮孔缺陷，可以在原始鑄造系統(tǒng)中添加兩個(gè)溢流槽，通過(guò)該方法對(duì)鑄造澆注系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)．優(yōu)化后的鑄造工藝澆注系統(tǒng)如圖6所示．

圖6 優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the optimized pouring system

在優(yōu)化鑄造系統(tǒng)之后，再次進(jìn)行模擬．優(yōu)化前后鑄件的最終收縮率如圖7所示．從圖7可以看出，優(yōu)化后原始圓圈中的缺陷基本消除，上面圓圈內(nèi)鑄件的最大缺陷也從原來(lái)的0.635 cm3減小到0.478 cm3．

圖7 優(yōu)化前后鑄件的最終收縮示意圖(a)優(yōu)化前 ；(b)優(yōu)化后Fig.7 Schematic diagram of the final shrinkage of the casting before and after optimization(a)before optimization；(b) after optimization

3 殼體壓鑄工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)

3.1 確定正交試驗(yàn)的水平因素

用鑄件的收縮體積作為正交試驗(yàn)的指標(biāo)．在眾多因素中選擇關(guān)鍵的影響因素，鑄造溫度、注射速度和模具溫度作為模擬研究對(duì)象．各因子水平列于表2，表3為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所選擇的L9正交實(shí)驗(yàn)表．

3.2 測(cè)試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

重點(diǎn)研究每組仿真結(jié)果中的鑄造缺陷量，并將其作為主要測(cè)試指標(biāo)．檢查指數(shù)的值越小，鑄件的質(zhì)量越好．通過(guò)分析每組的試驗(yàn)結(jié)果并選擇缺陷體積，每組在同一位置選擇8個(gè)節(jié)點(diǎn)，如表4所示．

表2 實(shí)驗(yàn)因子表

表3 正交實(shí)驗(yàn)表

表4 各節(jié)點(diǎn)收縮量

通過(guò)正交試驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果(表4)發(fā)現(xiàn)，第八組的模擬結(jié)果最小，第八組試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)為鑄造溫度700 ℃、注射速度3 m/s、模具溫度220 ℃．

為了得到最優(yōu)參數(shù)方案，有必要進(jìn)行范圍計(jì)算分析和每組仿真結(jié)果的每個(gè)因子水平的平均值計(jì)算．計(jì)算結(jié)果列于表5．

通過(guò)對(duì)鑄件模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析和極差的分析結(jié)果(表5)可以發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)選定的影響因素中，模具溫度對(duì)壓鑄過(guò)程中鑄件質(zhì)量的影響最大．基于上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和所有分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，A3B2C1方案是最佳的工藝方案．從Mean3中發(fā)現(xiàn)，模具溫度對(duì)澆鑄溫度和注射速度也有影響[6]．對(duì)于水平因子C來(lái)說(shuō)，有必要考慮繼續(xù)降低模具溫度是否可以使鑄造缺陷體積得到進(jìn)一步改善.因此選擇鑄造溫度700 ℃、注射速度3 m/s和模具溫度200 ℃條件下進(jìn)行模擬，最后計(jì)算出8個(gè)節(jié)點(diǎn)的缺陷總體積為1.728 cm3．由此可知，繼續(xù)降低模具溫度無(wú)法起到減小缺陷的作用.因此，可以確定鑄造溫度700 ℃、注射速度3 m/s和模具溫度220 ℃的方案是最佳的處理方案．

表5 正交試驗(yàn)分析結(jié)果和范圍

續(xù)表5

按最佳方案進(jìn)行模擬填充，鑄造澆注過(guò)程如圖8所示．從圖8可以看出，在鑄造溫度720 ℃、注射速度3 m/s和模具溫度220 ℃條件下，鑄件的充型過(guò)程平穩(wěn)、冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)的分布合理．

圖8 鑄造過(guò)程Fig.8 Casting process

圖9為缺陷結(jié)果分布圖．從圖9可看出，在最佳工藝條件下鑄件出現(xiàn)缺陷的面積有所縮小，缺陷主要集中在直澆道的白色部位．由此可知，在最終確定的最優(yōu)工藝參數(shù)組合的條件下，鑄件殼體的質(zhì)量得到改善．

圖9 鑄造缺陷的分布Fig.9 Distribution of casting defects

4 結(jié) 論

(1)用Anycasting模擬仿真技術(shù)，對(duì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析．結(jié)合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出一種澆注系統(tǒng)，再對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬并就模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，以鑄件缺陷情況確定選擇最適合該殼體生產(chǎn)的澆注系統(tǒng)．

(2)確定所選取的殼體壓鑄工藝主要影響因素的澆鑄溫度、壓射速度及模具溫度，最終確定最優(yōu)的參數(shù)組合為澆注溫度700 ℃、壓射速度3 m/s、模具溫度220 ℃，并在該工藝條件下進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)缺陷體積為1.563 cm3，表明鑄件質(zhì)量得到明顯改善．