原標(biāo)題：基于云計(jì)算的路由器盒蓋半固態(tài)壓鑄工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

摘要：對5G無線路由器盒蓋的半固態(tài)壓鑄工藝和模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用智鑄超云——壓鑄領(lǐng)域?qū)I(yè)CAE云平臺(tái)對其半固態(tài)流變壓鑄充型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)選出了一種最佳的壓鑄工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。結(jié)果表明，利用云計(jì)算進(jìn)行數(shù)值模擬能為工藝方案的評價(jià)和改進(jìn)提供科學(xué)的依據(jù)，能縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。根據(jù)模擬優(yōu)化的工藝方案設(shè)計(jì)制造的路由器盒蓋壓鑄模具，采用半固態(tài)壓鑄工藝生產(chǎn)出了合格的路由器盒蓋壓鑄件，壓鑄件無縮松、氣孔等缺陷。

半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)與傳統(tǒng)壓鑄相比，具有成形溫度低、模具壽命長、充型更平穩(wěn)、組織更致密、產(chǎn)品品質(zhì)好、可改善生產(chǎn)條件和環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛用于汽車、通信、電器、航空航天及醫(yī)療等領(lǐng)域。半固態(tài)漿料制備是流變壓鑄技術(shù)發(fā)展異常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)外主要已發(fā)展有攪拌法、熱焓法、蛇形澆道法、剪切低溫澆注法等半固態(tài)漿料制備技術(shù)。然而，到目前為止，雖然半固態(tài)成形技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，但半固態(tài)成形技術(shù)無論在理論上還是技術(shù)上，都需要進(jìn)一步完善與發(fā)展。

隨著模擬技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用到半固態(tài)壓鑄充型與凝固過程仿真的研究，通過對壓鑄生產(chǎn)過程的數(shù)值模擬，能較準(zhǔn)確地對凝固過程中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用，提高了鑄件質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品研制周期，節(jié)約了材料成本，取得了可觀的效益。

本課題針對鋁合金5G無線路由器盒蓋鑄件，采用智鑄超云——壓鑄領(lǐng)域?qū)I(yè)CAE云平臺(tái)對該鋁合金盒蓋鑄件的壓鑄充填過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬對其工藝進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)工藝優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)與制造。并以AlSi8鋁合金為原料，采用自主開發(fā)的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝進(jìn)行路由器盒蓋鑄件的生產(chǎn)試驗(yàn)。

1、鑄件分析

圖1為某通信公司的5G無線路由器盒蓋，材質(zhì)為AlSi8鋁合金。該鑄件最大外形尺寸為126 mm×126 mm×21 mm，壁厚不均勻，薄壁處約為2 mm，厚壁處約為7 mm。鋁合金密度為2.5g/cm3，臨界固相率為67. 5%，液相線溫度為615 ℃，固相線溫度為555 ℃，采用壓力鑄造工藝生產(chǎn)。

圖1:路由器盒蓋的三維圖

2、壓鑄工藝的設(shè)計(jì)

路由器盒蓋是殼體類鋁合金壓鑄件，其三面都有需要鑄出的孔，即需要采用三面抽芯機(jī)構(gòu)，因此，只有將內(nèi)澆口設(shè)置在沒有抽芯的一側(cè)，見圖1中圓圈標(biāo)注位置。壓鑄機(jī)采用東洋BD-250V5，壓鑄件的投影面積為158 cm2，選擇一模兩腔，設(shè)計(jì)了兩種工藝方案，見圖2。

采用智鑄超云——壓鑄領(lǐng)域?qū)I(yè)CAE云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬。先用三維造型軟件UG進(jìn)行三維圖的造型并生成STL文件，然后上傳至智鑄超云的云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行前置處理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)剖分，對路由器盒蓋壓鑄件充型過程進(jìn)行模擬。

圖2:盒蓋鑄件壓鑄工藝方案

3、壓鑄工藝的數(shù)值模擬

方案1的充型過程數(shù)值模擬結(jié)果見圖3。可以看出，由于橫澆道和內(nèi)澆口設(shè)置在型腔的下部，鋁合金熔體向上充填型腔進(jìn)入型腔后，首先向兩側(cè)充填，并且在內(nèi)側(cè)鋁合金熔體流動(dòng)較紊亂，容易產(chǎn)生卷氣、夾雜等缺陷，見圖3a~圖3c。鋁合金熔體最后充填的部位在內(nèi)側(cè)的下部角上，而且位于鑄件內(nèi)部，不在溢流槽部位，使得前端冷污的鋁合金熔體無法進(jìn)入溢流槽，從而留在鑄件內(nèi)部，在該部位容易出現(xiàn)冷隔、氣孔和夾渣等缺陷，見圖3d。

方案2的充型過程數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。可以看出，由于橫澆道位于兩個(gè)型腔的中間，內(nèi)澆口設(shè)置在型腔的內(nèi)側(cè)，鋁合金熔體進(jìn)入型腔后，逐步從內(nèi)側(cè)向兩側(cè)充填，鋁合金熔體流動(dòng)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)紊流，充填過程基本符合全壁厚填充理論。鋁合金熔體最后充填的部位在型腔兩端的最外鍘，而且在該部位設(shè)置了溢流槽，使得前端冷污合金熔體能夠進(jìn)入溢流槽，從而可有效避免在鑄件內(nèi)部形成卷氣、夾渣等缺陷。

圖3:方案1壓鑄充型過程的模擬結(jié)果

圖4:方案2壓鑄充型過程的模擬結(jié)果

4、生產(chǎn)驗(yàn)證

采用方案2進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)和制造，并采用自主開發(fā)的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝進(jìn)行路由器盒蓋鑄件的實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)。鋁合金液出爐溫度為640 ℃，壓射沖頭在低速壓射階段采用勻加速壓射，壓射加速度約為0.86 m/s2，最高低速速度約為0.64 m/s，高速速度為2.0 m/s，模具預(yù)熱溫度約為200 ℃。圖5為路由器盒蓋半固態(tài)壓鑄件微觀組織與實(shí)物圖。可以看出，所有位置的組織中初生α-Al相大多呈近球狀，晶粒細(xì)小，分布均勻，具有較明顯的半固態(tài)組織特征。路由器盒蓋壓鑄件經(jīng)200 oC×4 h時(shí)效熱處理后，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到165.3 W?m/K。流變壓鑄實(shí)驗(yàn)獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高、無缺陷的無線路由器盒蓋壓鑄件，見圖5d。通過對該路由器盒蓋壓鑄件的X光透射探傷，結(jié)果表明壓鑄件內(nèi)部無明顯縮松、縮孔、氣孔和氧化夾雜等缺陷，見圖6。

圖5:路由器盒蓋半固態(tài)壓鑄件微觀組織與實(shí)物圖

圖6:路由器盒蓋鑄件X射線探傷圖

5、結(jié)論

通過采用智鑄超云—壓鑄領(lǐng)域?qū)I(yè)CAE云平臺(tái)對某公司路由器盒蓋的壓鑄工藝方案進(jìn)行模擬分析及優(yōu)化，根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果，確定了采用工藝方案2進(jìn)行了實(shí)際模具設(shè)計(jì)、制造和實(shí)際試生產(chǎn)。通過自主開發(fā)的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，生產(chǎn)的壓鑄件經(jīng)X光透射探傷，未發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔和夾雜等缺陷，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到165.3 W?m/K，品質(zhì)達(dá)到了技術(shù)要求。

作者：

龍文元
南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院
龔杰
廈門格耐爾科技有限公司
宋國金
機(jī)械科學(xué)研究總院（將樂）半固態(tài)技術(shù)研究所有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第05期