汽車結(jié)構(gòu)件減震塔的鋁合金壓鑄工藝優(yōu)化

應(yīng)用軟件：FLOW-3D CAST

作者：周林東 王春濤 張靖

寧波合力模具科技股份有限公司

作者：楊雄 呂書林 吳樹森

華中科技大學(xué)材料成型與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、減震塔結(jié)構(gòu)分析

（a）凸面  （b）凹面
圖1 某減震塔3D實(shí)體造型

圖1為某減震塔3D實(shí)體造型示意圖。鑄件最大輪廓尺寸為530mm*345mm*313mm，主體平均壁厚為3mm。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個(gè)殼體呈弧形，表面設(shè)計(jì)有縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋，以提高零件的整體強(qiáng)度；局部存在較多近圓柱形凸臺，最大高度達(dá)到20mm，使鑄件各部位壁厚差異較大。在鑄件一側(cè)存在一尺寸較大的凸起結(jié)構(gòu)，與鑄件殼體部位高度差達(dá)到195mm。該減震塔用A380鋁合金壓鑄成型，鑄件凈重2.9kg。

二、澆注系統(tǒng)和排氣道、溢流槽的設(shè)計(jì)

2.1  澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是金屬液在壓力下充填模腔的通道，是控制金屬液充填模腔的速度、時(shí)間以及流動狀態(tài)的重要部分。因此，設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)是獲得高質(zhì)量壓鑄件的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)鑄件特征，選取鑄件輪廓尺寸面積最大處作為分型面，便于零件脫模。為減小壓鑄過程開始階段的卷氣程度，在零件長度方向上選取形狀結(jié)構(gòu)較為平直的一側(cè)設(shè)置內(nèi)澆口。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算內(nèi)澆口截面面積：

式中，V為零件及溢流、排氣系統(tǒng)總體積（溢流、排氣系統(tǒng)體積按照零件體積50%計(jì)算），為1157422mm3；νg為金屬液在內(nèi)澆口處速度，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊，鋁合金在內(nèi)澆口處的充填速度為20~60m/s，取值40m/s；t為金屬液充填模腔的時(shí)間，其推薦值由平均壁厚決定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（2）計(jì)算平均壁厚：

式中，b1、b2、b3…為鑄件某個(gè)部位的壁厚（mm），S1、S2、S3…是壁厚為b1、b2、b3…部位的面積（mm2）。計(jì)算得到該減震塔平均壁厚為3mm，模腔充填時(shí)間推薦值為0.05~0.10s，取值0.07s。由此計(jì)算得到的內(nèi)澆口截面面積Ag為391.87mm2；根據(jù)設(shè)計(jì)手冊，內(nèi)澆口厚度T取值1.5mm，內(nèi)澆口總寬度L=Ag/T=261.25mm。壓鑄機(jī)為臥式冷室壓鑄機(jī)，橫澆道截面積為Ar=(3~4)Ag=1371.545mm2，橫澆道厚度D=(8~10)T=15mm；橫澆道選用金屬液熱量損失小、且加工方便的常見的扁梯形。根據(jù)壓鑄機(jī)壓室尺寸，直澆道直徑（壓室直徑）為120mm。利用計(jì)算得到的直澆道、橫澆道以及內(nèi)澆口的參數(shù)，設(shè)計(jì)了該減震塔零件的澆注系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 減震塔澆注系統(tǒng)

2.2  溢流槽、排氣道設(shè)計(jì)

溢流槽用于儲存液-氣接口前端混有氣體和涂料殘?jiān)睦湮劢饘僖海c排氣道配合，能夠迅速引出模腔內(nèi)的其氣體，減小充型過程中卷氣的發(fā)生，同時(shí)也能轉(zhuǎn)移縮孔、縮松、渦流包氣和產(chǎn)生冷隔的部位。但是，要發(fā)揮溢流槽的作用，溢流必須根據(jù)金屬液在模腔中的流動特征，在合理位置接受前沿冷污金屬液并將其保留在溢流槽中，因此，溢流槽也需要合適的尺寸。既不能過大也不過小，過大會導(dǎo)致廢料增多，增加成本；過小會導(dǎo)致溢流槽不能接受全部的冷污金屬，而降低鑄件品質(zhì)。因此，先對設(shè)計(jì)好澆注系統(tǒng)的零件先進(jìn)行數(shù)值仿真，然后根據(jù)金屬液的流動特征確定合適的溢流系統(tǒng)是一種高效的設(shè)計(jì)手段。

根據(jù)實(shí)際的壓鑄工藝參數(shù)設(shè)定模擬參數(shù)，金屬液先在慢壓射速度0.6m/s下進(jìn)入橫澆道和內(nèi)澆口，當(dāng)金屬液充滿所有內(nèi)澆口后，壓射速度提高到5m/s，即讓金屬液在快速下充填模腔。

溫度場（色標(biāo)代表溫度）：(a)t=0.190s; (b)t=0.197s; (c)t=0.200s；(d)t=0.204s.

卷氣（色標(biāo)代表卷入氣體體積分?jǐn)?shù)）：(a)t=0.190s; (b)t=0.197s; (c)t=0.200s；(d)t=0.204s.

圖3 澆注系統(tǒng)仿真結(jié)果：溫度場及卷氣情況

圖3可看出金屬液在充型過程中不同時(shí)間點(diǎn)的金屬液溫度及卷氣情況。可以看出，設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)金屬液較為平穩(wěn)地充填模腔。在零件左側(cè)存在兩個(gè)圓形結(jié)構(gòu)，根據(jù)充型過程的模擬，可以看到金屬液在充填此處時(shí)容易產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，從而造成卷氣量增大。因此，應(yīng)在圓形結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)計(jì)溢流槽，以使卷氣部分的金屬液被排出模腔，進(jìn)入溢流槽。根據(jù)溫度場及卷氣特征可以看到，在零件右側(cè)存在較大面積的溫度較低的金屬液，并且由邊緣向里延伸的方向，存在不同程度的卷氣現(xiàn)象，如圖3（c）中圈出的部位。對應(yīng)圖1所示的減震塔結(jié)構(gòu)可以看出，圖中圈出部位結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，金屬液經(jīng)最右側(cè)的內(nèi)澆口進(jìn)入模腔后先直接沖擊存在一定角度的模腔壁，受阻后金屬液回流充填零件最右側(cè)的部位，因此造成氣體的大量卷入，這一點(diǎn)可以從金屬液開始進(jìn)入模腔的圖中可以看出（圖3（a））。零件由下至上依次充型，在金屬液最后充填的零件上部存在大量溫度較低且卷氣嚴(yán)重的金屬液，應(yīng)當(dāng)在此處設(shè)置足夠多的溢流槽來接受這些金屬液，以獲得高質(zhì)量鑄件。

根據(jù)仿真結(jié)果，在某些部位的溫度低、卷氣量大的金屬液較多，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)具有足夠體積的溢流槽，但是過大的溢流槽又易導(dǎo)致金屬液倒流，因此在這些部位設(shè)置多個(gè)單獨(dú)的溢流槽并設(shè)置薄的連接肋以保證其強(qiáng)度。溢流槽主要采用便于加工的梯形溢流槽，在局部卷氣嚴(yán)重的部位適當(dāng)增加溢流槽體積并根據(jù)流動特征對形狀進(jìn)行小幅度修改（如圖3（c）圈出部位）。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊，排氣道的截面積設(shè)置為內(nèi)澆口截面積的30%。設(shè)計(jì)好的溢流槽及排氣道如圖4所示。

圖4 壓鑄減震塔溢流槽及排氣道

三、模擬分析及工藝優(yōu)化

澆口由流道底部與鑄件相連，每個(gè)澆口的中間位置設(shè)計(jì)氣泡聚集區(qū)。

溫度場（色標(biāo)代表溫度）：(a)t=0.190s; (b)t=0.197s; (c)t=0.201s; (d)t=0.215s.

卷氣（色標(biāo)代表卷入氣體體積分?jǐn)?shù)）：(a)t=0.190s; (b)t=0.197s; (c)t=0.201s; (d)t=0.215s.

圖5 帶澆注系統(tǒng)和溢流槽、排氣道的模擬結(jié)果：溫度場及卷氣情況

圖5為金屬液在有澆注系統(tǒng)以及溢流槽、排氣道的壓鑄模具中的充型過程。可以看出，在金屬液充型過程中，位于液-氣界面前沿的溫度較低、卷氣嚴(yán)重的部分金屬液全部進(jìn)入設(shè)計(jì)好的溢流槽中，金屬液充滿模腔后（圖5（d）），留在零件內(nèi)部的氣體量極少。因此，設(shè)計(jì)的溢流槽、排氣道適用于該減震塔零件的壓鑄工藝。

圖6. 凝固過程模擬（a）完全凝固；（b）凸起結(jié)構(gòu)上部放大圖-凸面；（c）凸起結(jié)構(gòu)上部放大圖-凹面。

圖6為金屬液完全凝固后所得鑄件的形狀。可以看到，在減震塔零件中的凸起結(jié)構(gòu)上部存在一較大的孔洞缺陷，觀察其局部放大圖可以發(fā)現(xiàn)，在該處存在兩個(gè)尺寸較大的近圓柱形凸臺，高度達(dá)到20mm。在凝固過程中，這一厚大部位凝固速度較慢，會發(fā)生補(bǔ)縮現(xiàn)象，形成孔洞。

對此，采取局部冷卻的方法加快該部位的凝固速度，以獲得致密的鑄件。在該處的模具上加入銅塊以達(dá)到快速冷卻的目的，其模擬結(jié)果如圖7所示，得到內(nèi)部致密無孔松的優(yōu)質(zhì)鑄件。最后采用該工藝實(shí)際生產(chǎn)出合格的鋁合金減震塔零件，成品率達(dá)到90%以上。若通過控制模具溫度等其他條件，成品率有望進(jìn)一步提高。

圖7 局部冷卻后得到的優(yōu)質(zhì)鑄件

四、結(jié)論

1. 設(shè)計(jì)、優(yōu)化選出大型、復(fù)雜汽車結(jié)構(gòu)件——鋁合金減震塔的壓鑄澆注系統(tǒng)及溢流和排氣系統(tǒng)。
2. 利用數(shù)值模擬方法分析了減震塔零件的卷氣發(fā)生部位和區(qū)域，預(yù)測了壓鑄缺陷的種類及位置，以此為基礎(chǔ)更改了澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3. 在壁厚尺寸較大圓形結(jié)構(gòu)處容易發(fā)生卷氣現(xiàn)象和縮孔缺陷，采用局部冷卻方法等工藝措施，消除了缺陷，獲得整體質(zhì)量良好的鋁合金減震塔壓鑄件。

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