原標(biāo)題：殼體壓鑄工藝設(shè)計及優(yōu)化

摘要：根據(jù)殼體的結(jié)構(gòu)特點對其進(jìn)行壓鑄工藝設(shè)計。通過對兩種澆注系統(tǒng)利用ProCAST軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了縮孔、縮松產(chǎn)生的位置及原因，通過對比選擇一種較優(yōu)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行壓鑄工藝優(yōu)化。結(jié)果表明，經(jīng)過工藝優(yōu)化，鑄件無縮孔、縮松缺陷，且經(jīng)過生產(chǎn)驗證，滿足技術(shù)要求。

壓鑄是一種自動化程度較高，且能大量生產(chǎn)形狀復(fù)雜零件的鑄造技術(shù)，其生產(chǎn)出的鑄件具有致密性良好、精度較高、加工余量少、力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點，在汽車、機(jī)械裝備等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。而機(jī)殼殼體是汽車零部件安裝的重要載體，其壁厚較薄，但對其力學(xué)性能、精度、氣密性要求較高，且需要大批量生產(chǎn)，因此壓力鑄造成為制造殼體最好的選擇。

在本研究中，通過對鑄件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計了鑄件的澆注系統(tǒng)，并利用ProCAST軟件對其進(jìn)行模擬，通過分析模擬結(jié)果，對工藝進(jìn)行優(yōu)化，消除其存在的縮孔、縮松等缺陷問題，從而得到了滿足殼體技術(shù)要求的壓鑄工藝。

1.殼體結(jié)構(gòu)

研究的鑄件為某公司生產(chǎn)的用于汽車零部件的機(jī)殼殼體，其三維造型示意圖如圖1所示，其中深色區(qū)域為鑄件的加工面，加工余量為0.5 mm，鑄件的輪廓尺寸為103 mm×98 mm×89 mm，鑄件體積為234 108 m³，質(zhì)量為632 g，最厚壁5.5 mm，最薄壁2.5 mm，平均壁厚3 mm。鑄件材料為具有較好流動性、良好氣密性、高耐磨性的Al-Si-Cu系合金YL113，其合金成分如表1所示。鑄件要求表面光潔，起模斜度不超過1.5°，鑄件收縮率為0.6%，內(nèi)部無縮孔、縮松等缺陷。

圖1 鑄件三維造型示意圖

表1 YL113合金成分 wB/%

2.壓鑄工藝設(shè)計

在模具設(shè)計中，壓鑄工藝最為重要，直接影響鑄件的質(zhì)量、生產(chǎn)成本、模具制造難易程度等。壓鑄工藝包括分型面的選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計、溢流和排氣系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1?分型面的選擇

機(jī)殼殼體形狀比較復(fù)雜，需要設(shè)置抽芯機(jī)構(gòu)，故模具制造較難，因此鑄件采用一模一腔的鑄造方式。根據(jù)分型面選擇的最基本原則：選擇鑄件投影面積的最大區(qū)域。本鑄件有兩種分型面設(shè)置方法，如圖2所示，采用分型面a，只需設(shè)置一個抽芯機(jī)構(gòu)，但鑄件型腔較深，型芯包緊力較大，鑄件不易脫出；其次鑄件壁較薄，不易設(shè)置推出機(jī)構(gòu)。采用分型面b，鑄件需設(shè)置多個抽芯機(jī)構(gòu)，模具制造復(fù)雜，但是鑄件上下基本對稱，鑄件充型平穩(wěn)，其次方便設(shè)置推出機(jī)構(gòu)，有利于溢流槽和排氣槽的設(shè)置，更能滿足壓鑄工藝要求，故本鑄件選擇分型面b。

圖2 鑄件分型面示意圖

2.2?澆注系統(tǒng)的設(shè)計

澆注系統(tǒng)設(shè)計方案的三維示意圖如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)三維示意圖

2.2.1 內(nèi)澆口設(shè)計

內(nèi)澆口可分為：扁平內(nèi)澆口、端面?zhèn)葷部凇⒅行膬?nèi)澆口、環(huán)形內(nèi)澆口等。本殼體屬于圓筒類，為了避免金屬液直接沖擊型芯和粘附現(xiàn)象的產(chǎn)生，兩種澆注系統(tǒng)都采用環(huán)形內(nèi)澆口切向進(jìn)料，即在鑄件一旁設(shè)置環(huán)形澆道，金屬液充滿環(huán)形澆道后進(jìn)入型腔，這樣金屬液就可以在環(huán)形圓周上得到大致相同的速度，使金屬液充型平穩(wěn)，型腔內(nèi)的氣體容易排出。其次也可以在內(nèi)澆口上設(shè)置推桿避免在鑄件上有推桿的痕跡。

內(nèi)澆口的截面積按公式（1）計算。

式中：A g 為內(nèi)澆口的截面積，㎡；V為壓鑄件與溢流槽的體積之和，m³；v為內(nèi)澆口處金屬液的充填速度，m/s；t為型腔的充型時間，s。對于鋁合金來講，內(nèi)澆口的速度一般取20～60 m/s，平均壁厚為3 mm的鑄件充型時間為0.028～0.04 s，內(nèi)澆口壁厚為1.5～2.5 mm。取充填速度為40 m/s，充型時間0.03 s，內(nèi)澆口壁厚2 mm。計算得內(nèi)澆口的截面積A g =223.6 ㎡，內(nèi)澆口寬度為111.8 mm，設(shè)置四個方向進(jìn)料，平均每個內(nèi)澆口寬度為28 mm。設(shè)置的環(huán)形澆道外徑 106 mm，內(nèi)徑 86 mm，厚度20 mm。

2.2.2 橫澆道設(shè)計

橫澆道是金屬液從直澆道到內(nèi)澆口的過渡通道，對于不同的壓鑄件橫澆道有不同的結(jié)構(gòu)形式，而對于圓筒類形狀的鑄件，采取圓弧收縮式結(jié)構(gòu)。為了防止金屬液在流動時產(chǎn)生負(fù)壓，橫澆道的截面積應(yīng)逐漸減小。本研究采用臥式冷室壓鑄機(jī)，其橫澆道的深度按公式（2）計算。
                                                                      D=（5～8）T （2）

式中：D為橫澆道深度，mm；T為內(nèi)澆口厚度，mm。取D=10 mm，由于橫澆道切向進(jìn)料，橫澆道最小寬度為20 mm，為了便于鑄件更好脫模，設(shè)置橫澆道的起模斜度為15°。

2.2.3 直澆道設(shè)計

直澆道是金屬液從壓鑄機(jī)進(jìn)入型腔的首要通道，其大小與壓鑄機(jī)的壓室直徑有關(guān)，本研究壓室直徑選取60 mm，余料厚度設(shè)置為10 mm，起模斜度為10°。

2.3?溢流槽的設(shè)計

根據(jù)設(shè)計原則，溢流槽一般設(shè)置在金屬液匯合、型腔附近難以排氣的地方。本鑄件上下分型，故在分型面處會有金屬液匯合，因此對于兩種澆注系統(tǒng)都需要在分型面處設(shè)置溢流槽；其次為了防止環(huán)形澆道的金屬液發(fā)生回流，兩種澆注系統(tǒng)都需在環(huán)形澆道兩邊各設(shè)置一個溢流槽。而由圖2b可知，鑄件正前方壁厚較厚，為充分排除氣體和夾雜，故對澆注系統(tǒng)I，在左右兩側(cè)各設(shè)置1個溢流槽。澆注系統(tǒng)I、II溢流槽三維示意圖分別如圖4a、b所示。

圖4 溢流槽三維示意圖

3.數(shù)值模擬與優(yōu)化

將三維造型導(dǎo)入模擬軟件ProCAST中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置鑄件網(wǎng)格單元尺寸為2 mm，模具網(wǎng)格單元尺寸為10 mm。

3.1?工藝參數(shù)的設(shè)置

設(shè)置模擬工藝參數(shù)：（1）鑄件材料為歐洲標(biāo)準(zhǔn)的ENAC-41600（YL113），模具材料為H13；（2）金屬液澆注溫度推薦值如表2所示，本研究取620 ℃，模具預(yù)熱溫度為220 ℃；（3）模具與鑄件的傳熱系數(shù)為1 000 W/（㎡ ·K）；（4）金屬液的充填速度為3 m/s，鑄件采用空冷方式冷卻。

表2 鋁合金澆注溫度

3.2?初步工藝方案模擬

澆注系統(tǒng)I的充型過程見圖5?？梢钥闯?，充型32.7%時，金屬液開始流向內(nèi)澆口；充型52.4%時，金屬液流向鑄件底部，并有少量金屬液開始流向溢流口；充型74.2%時，鑄件輪廓幾乎充填完成，少量金屬液流向溢流口；充型96.85%時，鑄件輪廓充填完成，金屬液流向溢流槽。從整個充型過程中可以看出，金屬液充型平穩(wěn)，金屬液從直澆道流向橫澆道，再流向環(huán)形內(nèi)澆口，最后充型的部位為儲存冷污金屬液和空氣的溢流槽，金屬液流向正確，澆注系統(tǒng)I設(shè)置合理。

圖5 澆注系統(tǒng)I充型過程示意圖

圖6為澆注系統(tǒng)II的充型過程。由圖知，當(dāng)充型34.5%時，金屬液開始從環(huán)形內(nèi)澆口流向鑄件；充型55.6%時，金屬液從四個方向流向鑄件的端部，少量金屬液開始流向溢流口；充型76.8%時，鑄件輪廓幾乎充型完成，金屬液流向溢流槽；充型96.8%時，金屬液充填溢流槽，儲存冷污金屬液。整個充型過程，金屬液流動平穩(wěn)，無飛濺現(xiàn)象，金屬液從環(huán)形內(nèi)澆口流向鑄件，最后充填溢流槽，金屬液流向正確，澆注系統(tǒng)II設(shè)置合理。

圖6 澆注系統(tǒng)II充型過程示意圖

澆注系統(tǒng)I、II鑄件完全凝固時的溫度場見圖7，可以看出兩種澆注系統(tǒng)鑄件在側(cè)壁中間部分溫度較高，其原因是鑄件中間部分內(nèi)設(shè)加強(qiáng)筋，鑄件壁厚較厚，在凝固過程中散熱較慢，易產(chǎn)生熱節(jié)，預(yù)測此部位會產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

圖7 鑄件完全凝固后的溫度場

圖8為鑄件采用澆注系統(tǒng)I所產(chǎn)生的縮孔、縮松缺陷。鑄件產(chǎn)生缺陷集中的地方是鑄件加強(qiáng)筋壁厚較大的地方，其原因是鑄件在此區(qū)域凝固時溫度較高，金屬液凝固較慢，凝固速率不均勻，此時會產(chǎn)生細(xì)小的孔洞被孤立，從而在完全凝固時得不到金屬液的補(bǔ)縮，出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。

圖8 澆注系統(tǒng)I缺陷示意圖

采用澆注系統(tǒng)II的鑄件缺陷示意圖如圖9所示，也在鑄件壁厚的地方出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，且比采用澆注系統(tǒng)I產(chǎn)生的縮孔、縮松缺陷多，其原因是澆注系統(tǒng)II的內(nèi)澆口離鑄件壁厚的地方近，而澆注系統(tǒng)I內(nèi)澆口離鑄件壁厚地方較遠(yuǎn)。因此在鑄件壁厚區(qū)域，采用澆注系統(tǒng)II比采用澆注系統(tǒng)I的溫度高，在鑄件凝固時，產(chǎn)生的因凝固速率不均勻而被孤立的細(xì)小孔洞變多，在完全凝固時，產(chǎn)生的縮孔、縮松缺陷多。因此對于兩種澆注系統(tǒng)，采用澆注系統(tǒng)I，鑄件的缺陷較少，工藝較優(yōu)。

圖9 澆注系統(tǒng)II缺陷示意圖

3.3?工藝優(yōu)化

為了使鑄件在壁厚處凝固均勻，本研究在鑄件產(chǎn)生的縮松、縮孔區(qū)域正下方設(shè)置了冷卻水道，并在縮松、縮孔區(qū)域集中的地方設(shè)置兩個溢流槽，使其充分排除氣體和夾雜，轉(zhuǎn)移縮松位置，其優(yōu)化后的工藝方案如圖10所示。優(yōu)化后工藝參數(shù)設(shè)置其冷區(qū)水道與模具的換熱系數(shù)為2 000/（㎡·K），其他參數(shù)不變。工藝優(yōu)化后的縮孔、缺陷見圖11?？梢钥闯?，鑄件在加強(qiáng)筋壁厚處無縮松、縮孔缺陷，滿足技術(shù)要求。說明初步設(shè)計工藝產(chǎn)生的缺陷是鑄件冷卻不均勻造成。

圖10 優(yōu)化方案三維圖

圖11 優(yōu)化后的縮孔、縮松示意圖

3.4?生產(chǎn)驗證

圖12為采用澆注系統(tǒng)I優(yōu)化后生產(chǎn)的殼體鑄件。通過檢測，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部無縮孔、縮松缺陷，表面無裂紋，滿足力學(xué)性能要求，且達(dá)到尺寸精度、氣密性要求，已大批量生產(chǎn)。

圖12 鑄件實物圖

3.結(jié)論

（1）根據(jù)殼體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了鑄件的兩種澆注系統(tǒng)，并利用ProCAST軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示鑄件在壁厚處產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷；內(nèi)澆口設(shè)置在鑄件壁厚較遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生的縮孔、縮松缺陷較少。分析發(fā)現(xiàn)鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的原因是鑄件在壁厚處凝固不均勻，部分區(qū)域被孤立得不到補(bǔ)縮。

（2）通過工藝優(yōu)化，使得鑄件無縮孔、縮松缺陷，并采用優(yōu)化后的工藝進(jìn)行生產(chǎn)驗證，通過檢測發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部無縮孔、縮松缺陷，且滿足技術(shù)要求，可以用于指導(dǎo)類似鑄件壓鑄工藝設(shè)計。

作者

張國強(qiáng) 趙占西 王秋雨
河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

勾健
蕪湖美的廚衛(wèi)電器制造有限公司

李湖濤
常州市永順模具廠

本文來自:《鑄造》雜志