汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄模流分析與配套薄壁模具鑲件 結構優(yōu)化研究

摘 要：為了解決了汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄件在壓鑄生產中縮孔、縮松、局部燒附和模具沖蝕的痛點，利用SupreCast智鑄超云模流分析軟件進行了模流分析，整體充填過程中產品部分區(qū)域存在充填死角，存在一定困氣風險，產品一個區(qū)域縮孔風險較大，3#澆口附近的模芯區(qū)域沖蝕風險較高。針對此問題，對異形模具鑲件薄壁處設計了配套的異形/隨行水路，配套鑲件采用了3D金屬嫁接打印制造，并建議對異形/隨行水路模具鑲件的表面進行涂層處理，研究結果為薄壁類壓鑄件和配套的薄壁壓鑄模具鑲件的設計與制造提供參考。

關鍵詞：汽車節(jié)氣門殼體 壓鑄模流分析 薄壁鑲件結構優(yōu)化 壓鑄缺陷

復雜薄壁鋁合金鑄件在航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)、機械制造業(yè)、船舶工業(yè)、國防工業(yè)等基礎產業(yè)具有廣闊的應用前景和實用價值。當下汽車薄壁類壓鑄件“異形深腔體部位”越來越多，壓鑄生產中存在很多影響生產效益的壓鑄缺陷亟待解決。對薄壁異形深腔體缺陷，存在未深入應用新技術和新工藝（金屬增材制造和表面工程技術等）去解決理論和實際壓鑄生產的問題。

該研究領域的問題，主要原因是表面局部燒附和模具鑲件裂紋、廢品率高、不能連續(xù)生產、成型周期長四個關鍵問題未很好解決。為此，需要對容易出現(xiàn)壓鑄缺陷的壓鑄件進行充型凝固過程、缺陷分析與預判、配套模具鑲件三方面展開研究。本案例以汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄件為研究對象，通過功能強大的SupreCast智鑄超云模流分析軟件進行壓鑄場景模擬和模流分析，找出容易引起壓鑄缺陷和影響生產效率的原因，并對配套的薄壁壓鑄鑲件做了結構優(yōu)化設計。

1 產品基本信息

汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄件屬于具有深腔體薄壁部位特點的壓鑄件，產品材料采用ADC12，產品外形見圖1所示，產品的外形尺寸、質量、壁厚等基本信息見“表1汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄件基本信息”。

2 模流分析

2.1 模擬分析參數(shù)

在使用SupreCAST智鑄超云模流分析軟件前，設置模流分析的壓鑄參數(shù)，其中汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄件的澆口填充壓鑄工藝模擬分析參數(shù)如下：重力方向為X-，最小網格尺寸為0.52mm，低速速度為0.20m/s，高速速度為3.85m/s，切換體積分數(shù)34%，型腔網格數(shù)量為3391605個，總網格數(shù)量9727488個；汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄件的凝固壓鑄工藝模擬分析參數(shù)如下：重力方向為X-，最小網格尺寸為0.52mm，總網格數(shù)量14043036個，換熱模式為4D內嵌式，初始模具溫度 180℃，環(huán)境溫度25℃，型腔網格數(shù)量3631688個。

2.2 氣孔分析

通過SupreCAST智鑄超云模流分析軟件做氣孔分析得出卷氣壓力分布情況，如圖2、3所示?！皥D2卷氣壓力分布情況1”左側紅色線框圈上的部位顯示為金屬液充填至此處時存在一定的氣體包卷，此區(qū)域位于澆口附近，需要通過后期增壓進行改善；“圖3卷氣壓力分布情況2”紅色線框圈上的部位顯示為金屬液充填至產品末端時存在充填死角，存在困氣包卷可能，適當調整邊側澆口角度，進而調整充填順序，讓此處優(yōu)先充填。

通過SupreCAST智鑄超云模流分析軟件做填充時間分析得出氣體包卷情況，如圖4、5所示。圖4中左側綠色線框圈上的部位顯示為金屬液充填至此處時存在一定的氣體包卷，且此區(qū)域充填較晚，需要做鑲件輔助排氣進行解決；圖5中左側紅色線框圈上的部位由于充填順序和產品結構原因，導致此區(qū)域充填時間較晚，此區(qū)域靠近內澆口，需要充填完成后通過增壓進行改善。

通過SupreCAST智鑄超云模流分析軟件做液流追蹤得出困氣包卷情況，如圖6所示。圖6紅色線框圈上的部位顯示為金屬液充填至產品末端時存在充填死角，存在困氣包卷可能，適當調整邊側澆口角度，進而調整充填順序，讓此處優(yōu)先充填。

2.3 縮孔與縮松分析

通過SupreCAST智鑄超云模流分析軟件做縮孔與縮松分析得出汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄的縮孔與縮松分布情況，如圖7所示。圖7左側紅色橢圓圈上的部位為產品內縮孔風險最大的位置，如涉及承重功能或后續(xù)機加工藝，則不能達到預定要求，需要重點加強這兩處位置的冷卻水排布。

2.4 熱節(jié)分析

通過SupreCAST智鑄超云模流分析軟件做熱節(jié)分析得出汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄的熱節(jié)分布情況，如圖8所示。圖8左側為熱節(jié)結果，圖8的熱節(jié)模流分析圖中用橢圓形紅色圈上的兩處區(qū)域為熱解較大區(qū)域，這兩處熱節(jié)較大區(qū)域容易形成縮孔和縮松，應格外注意加強冷卻水的排布。

2.5 模具沖蝕分析

通過SupreCAST智鑄超云模流分析軟件做模具沖蝕分析得出汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄的模具沖蝕情況，如圖9、10所示。圖9為模具沖蝕風險結果，澆口附近存在的模具沖蝕風險，特別是紅色箭頭位置幾處澆口，由于澆口角度導致金屬液直沖模芯側壁，這一點也可以從粒子追蹤結果得到驗證。圖10顯示金屬液直沖模芯側壁。從工藝角度來講可適當增加澆口附近模具的硬度或者通過表面處理增加模具壽命。

2.6 內澆口定量分析

圖11顯示為澆口分布情況，從左向右依次為1-3號澆口。目前沖頭與澆口的速度比為10.88，高速階段沖頭速度為3.85m/s，理論澆口速度為42m/s。應用SupreCAST智鑄超云模流分析軟件分析得出內澆口平均速度隨時間變化規(guī)律，圖12為各澆口平均速度曲線，目前1#和2#澆口的平均速度在40-45m/s之間，達到了理論速度值，其中3#澆口速度最高，基本達到了61m/s，所以需要格外注意3#澆口附近位置的沖蝕風險。

同時，充填過程中，經過每個內澆口的金屬液的總流量進行統(tǒng)計，1號澆口總流量為104.89cm3，百分比為36.62；內澆口面積為98.43cm2，百分比為38.36。2號澆口總流量為96.71cm3，百分比為33.77；內澆口面積為101.94cm2，百分比為39.73。3號澆口總流量為84.79cm3，百分比為29.61；內澆口面積為56.24cm2，百分比為21.91。從流量統(tǒng)計的結果來看，1#澆口的流量百分比與澆口截面積百分比是比較契合的，2#和3#澆口流量百分比與澆口截面積百分比有差異。

3 模流分析存在的問題和優(yōu)化改善方案

3.1 充填過程

整體充填過程較平穩(wěn)，無明顯低溫區(qū)域，產品部分區(qū)域存在充填死角，存在一定困氣風險，建議增加鑲件、增壓解決、嘗試改變邊側進澆角度改善。

3.2 熱節(jié)和縮孔縮松結果

產品部分區(qū)域縮孔風險較大，如涉及承重功能或后續(xù)機加工藝，不能達到預定要求，建議加強冷卻水排布進行解決。

3.3 模具沖蝕結果

澆口附近的模芯區(qū)域沖蝕風險較高，可適當增加澆口附近模具的硬度或者通過表面處理增加模具壽命。

3.4 澆口流量定量分析結果

1#澆口的流量百分比與澆口截面積百分比是比較契合的，2#和3#差異較大，此外3#澆口速度較高，需要格外注意3#澆口附近位置的沖蝕風險。

4 配套的薄壁模具鑲件結構優(yōu)化方案

4.1 采用異形、隨行水路設計薄壁模具鑲件

從上面的2.3縮孔與縮松分析和2.4熱節(jié)分析結果來看，圖7、圖8和圖4橢圓形圈上的部位為該汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄件的薄壁部位，為了解決縮孔縮松的問題，把圖7、圖8處類似“圓桶形”的薄壁模具鑲件結構設計為如圖15所示的異形水路結構；把圖4處類似“山字形”的薄壁模具鑲件結構設計為如圖14所示的異形水路結構，圖14鑲件的下半部分為3D打印制造時的配套底座；把該套模具的澆口套水路結構設計為如圖13所示的異形水路結構；圖4、7、8三種配套的薄壁模具鑲件的制造工藝采用金屬3D打印制造。

4.2 外表面做涂層處理

從上面的2.5 汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄模具沖蝕分析結果來看，為了減少澆口附近的模具沖蝕風險，同時為了增加耐熱疲勞穩(wěn)定性，提高模具抗腐蝕能力和模具使用壽命，便于脫模，針對該壓鑄模具鑲件采用一款脫模性能優(yōu)異的納米復合金屬陶瓷涂層，該涂層兼具金屬材料和陶瓷材料的雙重特性，具有優(yōu)異的強度、韌性及穩(wěn)定性。

5 結論

利用SupreCAST智鑄超云模流分析軟件進行了壓鑄場景模擬和模流分析，整體充填過程中產品部分區(qū)域存在充填死角，存在一定困氣風險，產品一個區(qū)域縮孔風險較大，澆口附近的模芯區(qū)域沖蝕風險較高，需要格外注意3#澆口附近位置的沖蝕風險。

以汽車節(jié)氣門前殼體壓鑄件為研究對象，通過壓鑄模流分析，找出了容易引起壓鑄缺陷和影響生產效率的主要原因：壓鑄件配套的異形壓鑄模具薄壁處冷卻時冷卻水分布不充分、不均勻，且模具鑲件在壓鑄時容易被沖蝕。

針對壓鑄件配套的異形壓鑄模具薄壁處冷卻時冷卻水分布不充分、不均勻的問題，對配套的薄壁異形/隨行水路模具鑲件進行了結構優(yōu)化和涂層處理。

參考文獻：

[1]宋鵬，龔海軍，彭軍，等.鋁合金機油泵蓋壓鑄模澆注及溢流系統(tǒng)仿真優(yōu)化設計[J].鑄造，2023，72（2）：196-202.

[2]全泳琪，程漢明，王鶴睿，等.熱處理對壓鑄AlSi10MnMg合金組織和力學性能的影響[J].有色金屬科學與工程，2022，13（2）：98-106.

[3]張正來，夏天，馮光明，等.多級渦輪增壓器殼體壓鑄模具設計[J].鑄造，2018，67（9）：787-789.

[4]樊振中，袁文全，王端志，等.壓鑄鋁合金研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢[J].鑄造，2020，69（2）：159-166.

[5]安肇勇，萬里，等．油底殼壓鑄成形的缺陷分析及對策[J].特種鑄造及有色合金，2015，35（6）：607-609．

[6]范娟，張新建，等．基于發(fā)動機缸體壓鑄工業(yè)機器人末端操作器的設計[J].機電工程，2018，35（13）：256-260．

[7]黃勇．壓鑄模具簡明設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010．

[8]董輝．變速箱殼體在壓鑄時常見的缺陷及應對方法[J].汽車實用技術，2016，41（10）：176-177．

[9]黎文峰，陳鼎寧.大型薄壁件真空壓鑄模具的設計方法[J].黑龍江工程學院學報（自然科學版），2009，23（4）：62-64.

[10]林志毛.鋁合金壓鑄模具澆道系統(tǒng)設計對鑄件內部質量的影響研究[J].造紙裝備及材料，2021，50（1）：61-63.