原標題：基于Magma®的新能源汽車鋁合金連接支架壓鑄件的工藝模擬及優化

導讀

采用高壓鑄造工藝生產用于新能源汽車電動機與其他動力元件裝配的鋁合金連接支架零件。為實現電動機與多種不同形狀動力元件連接的功能，連接支架的內表面設計了許多不均勻的框架和薄壁連接筋條。這種不均勻框架及筋條結構使鋁合金壓鑄時各個部位的充型速度和流量產生不均衡現象，在零件局部尤其是需要機加工的位置發生氣孔、冷隔和澆不足等缺陷，影響尺寸精度和連接安裝功能的實現。采用Magma®軟件模擬分析壓鑄充型和凝固過程，針對初始工藝設計模擬產生的縮松、氣孔等缺陷，結合鑄件各區域的功能質量要求，劃分零件不同工藝區域，研究零件充型過程各區域金屬液冷卻凝固速度和流量差異，分析壓鑄充型過程鑄件壁厚不均勻造成的充型流量、速度分布不均衡情況，以及鑄件局部盲孔特征造成的氣孔缺陷。通過模擬充型結果、P-Q2壓力與流量關系曲線和氣壓模擬數值，研究局部澆道的分澆口尺寸和形狀設計，調整優化分澆道的形狀及澆口面積，協調鑄件局部的充型流量與充型壓力關系，使鋁液充型時流量均衡進入型腔，并經過模擬驗證改善縮松和氣孔等缺陷，以提高鑄件組織致密度及生產品質。

圖文結果

圖1為連接支架零件3D圖及工藝區域劃分。材質為A356.2鋁合金，具有流動性好、密度小和耐蝕性良好等特點，且在壓鑄生產時具有熱裂傾向低、線收縮小、氣密性好等性能。產品質量為2.75 kg，體積為1 013.38 cm³，平均壁厚為3.5 mm，輪廓尺寸為319 mm×209 mm，壓鑄模具材質為SKA61模具鋼。根據支架零件的幾何結構，將其分成A、B、C 3個區域。A區域為薄壁的框架連接筋條，B區域為連接其他零件的連接緊固裝配部分，壓鑄后還要進行機加工，因此也是零件尺寸精度和內部組織致密度要求較高的區域；C區域則為壁厚較為均勻的框架部分。A區域最外邊的薄壁筋條位置，金屬液流量偏少，容易產生噴射、卷氣和冷隔缺陷，需要平衡充型壓力并合理設置溢流槽。B區域中圓圈標示為后續機加工成型孔，要求鑄件內部組織必須致密無氣孔。C區域雖然屬于相對簡單并較快凝固的部分，但由于充型流量和速度的差異，3個區域金屬交匯的局部位置容易產生氣孔、冷隔和變形等缺陷，因此需要對壓鑄充型和凝固過程進行數值模擬，以確定合理的工藝設計方案。

鋁合金連接支架壓鑄初始工藝方案及參數設計首先要保證支架零件各部分的完整充型，以及機加工面的氣孔、冷隔和變形等質量問題。根據生產企業的設備情況，選用的壓鑄機和初始工藝參數見表1。

圖1 連接支架零件工藝區域劃分及3D圖

表1 低壓鑄造支架數值模擬初始工藝參數

根據內澆口位置應使金屬液充填型腔流程最短、防止金屬液在充填過程中熱量損失過多而產生冷隔或流痕等壓鑄缺陷的基本原則，初始澆注與排溢系統設計見圖2。初始工藝中內澆口采用1~6號分澆道同時進料，每個澆道的截面形狀尺寸大小接近，目的是使金屬液充填均衡平穩，有利于排氣和傳遞靜壓力。同時針對連接支架的扁平分散的形狀，設置了多個溢流槽。由于支架零件A、B、C 3個區域差異化的結構可能阻礙鋁液的均衡充型，充型時幾股金屬液流交匯處也會因碰撞而產生渦流、卷氣，同時壁厚不均勻造成的凝固時序差別也會引起冷隔和變形等缺陷。因此設計多個溢流槽（見圖2b箭頭處），期望能穩定金屬液的流態，并起到容納冷污金屬液和提高排氣效果的作用。其中在A區域的邊框薄壁筋條位置增設了一個溢流槽，以避免此位置充填不暢造成的“死角困氣”現象。

圖2 連接支架壓鑄澆注系統和排溢系統初始設計

針對連接支架零件的結構特點和質量要求，采用Magma®軟件對支架壓鑄充型過程的溫度變化、充型速度、氣壓變化和縮松缺陷預測等進行模擬。圖3為鋁液充型的各階段模擬。通過模擬對比可以看出，支架鑄件在凝固過程中各個工藝區域的充型速度和冷卻凝固順序存在著不均衡現象。從圖3a可以看出，鋁液初始填充階段，采用多個垂直式內澆口同時充型，使鋁液與模具間的熱傳導速度呈現不同步，溫度變化速度出現一定差異現象。其次，由于零件各區域的壁厚和形狀差異造成了填充型腔的金屬液體積及充型速度差別較大，充型完成時間不同步， C區域基本充滿時，A、B區域部分位置還有接近20%的型腔未充滿。從圖3c和圖3d可以看出，由于A、B區域的充型進程慢于其他位置，充型速度不均衡會造成鋁液交匯形成憋氣。同時充型過程各部分區域溫度梯度分布十分不均勻，容易產生縮松、縮孔和冷隔缺陷。因此，為了實現鋁液充型時保持流量、速度均衡進入型腔，需要針對性增大相應位置的內澆口面積，加大充型流量并加快充型速度，尤其對于零件A、B區域的重點位置，從而降低冷隔缺陷的可能。

針對零件框架分散結構和后續機加工對鑄件凝固致密度要求較高的特點，還進行了充型過程的氣壓變化模擬和內部縮孔、縮松缺陷預測，見圖4。從圖4a可以看出，在圖1a的A、B區域的相交接處，黑色線框標示出氣壓值較高，鋁液流態顯示出機加面有裹氣，機加工后會有內部氣孔出現的可能。同時內澆口位置也有少量鋁液裹氣，其原因應該是6個內澆口的進料流量和速度不均衡，來自不同內澆口的鋁液以不同的速度和溫度在鑄件的最后填充位置進行交匯時，容易在金屬液交匯處形成裹氣、層流和流痕等缺陷。其次在靠近內澆口局部位置的少量鋁液裹氣還會產生冷料積聚，機加工后也會有發生澆不足和分層缺陷的趨勢。

圖3 連接支架壓鑄充型過程溫度模擬

圖4 壓鑄充型時裹氣及縮松缺陷預測模擬

在連接支架鑄件初始的工藝設計中，6個內澆口為截面積相等的均衡結構設計，而支架鑄件的A、B和C 3個區域的壁厚和結構相差較大，造成3個區域的鋁液充型凝固結果產生較大的差異。針對A、B和C 3個區域的壁厚差別和凝固質量，設計合理的內澆口，改變各工藝區域充型流量及充型壓力不平衡的問題。圖5為優化設計圖。為了使1~3號內澆口與另一側的4~6號內澆口在充型時實現流量、速度的平衡，避免進料較快的內澆口低溫鋁液進入型腔，形成冷料積聚，將2號內澆口與主澆道相交的直角位置改成圓弧過渡，降低2號內澆口金屬液進入型腔時噴流趨勢，并加長行程、改大內澆口面積，改成傾斜狀進料，以防止負壓吸氣或裹氣。同時，為了降低氣孔缺陷產生，在2號和3號內澆口之間增加一個專門的溢流槽進行排氣。

根據設備和內澆口設計方案，生成P-Q2關系曲線，幫助設計者驗證充型壓力與模具能量關系較為理想的工藝區域，從而檢驗和判斷內澆口的面積大小設計合理性，見圖6。從改變2號內澆口的面積之后產生的P-Q2關系曲線圖中看出，當2號內澆口面積從初始理論值設計的2.35 cm2增大為3.35 cm2時，模擬產生的P-Q2關系工藝曲線在最佳區域內，證明改變2號內澆口面積的優化方案可行。同時，根據P-Q2關系曲線圖，對初始工藝的最大充型壓力、型腔填充時間和模具初始溫度等參數進行相應的調整和優化，見表2。

圖5 改變內澆口形狀后的優化方案圖

圖6 通過P-Q2關系曲線檢查內澆口設計的合理性

表2 初始工藝與優化方案參數對比表

對優化后的方案進行充型過程壓力和凝固溫度模擬分析，得出了優化后零件壓鑄過程液相到固相的壓力、溫度對比仿真變化曲線，見圖7。從優化前后的金屬液充型末端交匯處的氣壓模擬對比看出，初始的設計氣壓值高，達到3 557.979 kPa，而優化后的氣壓值降低為2 302.127 kPa，這說明在此金屬液交匯位置的包氣趨勢風險大幅降低。通過選擇安置在預測時可能產生縮松位置的模擬傳感器，Magma®軟件還能生成重點位置的金屬液與模具熱交換及溫度變化曲線，以檢查凝固過程的溫度曲線是否順滑，見圖8。可以看出，優化后的鑄件局部模具與金屬液之間的熱傳導溫度曲線呈平緩下降，證明鑄件從液相到固相的過程中得到了合理的冷卻凝固速度，避免了鑄件和模具之間溫度梯度過大而形成縮松等缺陷。

圖7 充型過程氣壓優化對比模擬圖

圖8 充型過程金屬液和模具溫度變化模擬圖

結論

（1）鋁合金連接支架零件區域差異化的壁厚形狀阻礙了鋁液充型時的速度和流量均衡，因此初始設計6個相等的內澆口容易造成各部位凝固速度差別較大，鋁液交匯處有裹氣和冷隔缺陷。

（2）針對支架鑄件各區域的不同的壁厚和結構，設計差異化的內澆口，改變鑄件局部的充型流量與充型壓力關系，同時在內澆口增加溢流槽，能夠提高排氣效果及改善填充凝固質量。

（3）通過充型壓力模擬對比結果和P-Q2關系曲線圖表，證明優化方案能改善鑄件包氣和縮松等缺陷。

《鋁合金連接支架壓鑄數值模擬及工藝優化》

韓偉1 盧健能1 江麗珍1 楊安2 歐俊杰1
1. 廣州城市理工學院機械工程學院；2. 貴州新藍輝金屬制品有限公司

本文轉載自：《特種鑄造及有色合金》