原標(biāo)題：基于 CAE 分析的鋁合金二合一殼體壓鑄工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

摘要   介紹了某新能源汽車二合一殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了初始?jí)鸿T工藝并進(jìn)行試產(chǎn)。借助CAE軟件對殼體試件局部缺陷進(jìn)行深入研究，分析其產(chǎn)生原因，確定了澆注系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)方向，解決了鑄件內(nèi)部氣孔和渣孔缺陷。

近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，新能源汽車正在成為汽車行業(yè)的“生力軍”。電機(jī)和變速箱等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車的核心組成部分，由電機(jī)和變速箱等動(dòng)力系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)合二為一設(shè)計(jì)的產(chǎn)品越來越得到新能源汽車行業(yè)的青睞。高壓鑄造生產(chǎn)能明顯減小產(chǎn)品壁厚，并保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。而且壓鑄接近凈成形，成本顯著降低，生產(chǎn)效率大大提高。由電機(jī)和變速箱組成的鋁合金二合一殼體高壓鑄造生產(chǎn)已得到各大公司的認(rèn)可。由于壓鑄工藝采用的是高速、高壓的充型，在壓鑄充填過程中極易卷入氣體，致使壓鑄件常有氣孔及氧化夾雜等問題的存在。

1、產(chǎn)品分析

某新能源汽車鋁合金二合一殼體如圖1所示，結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，一部分為電機(jī)殼體，另一部分為變速箱殼體。二合一殼體外形輪廓尺寸468 mm×312 mm×286 mm，最厚部分29.8 mm，電機(jī)殼體部分基本壁厚7 mm，變速箱殼體部分基本壁厚5 mm，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，殼體體積4 251 cm³，重量11.8 kg，計(jì)劃產(chǎn)量10萬件/年。材料為Al-Si-Cu系合金，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JISH5302—2000，牌號(hào)為ADC12，其液相線溫度592 ℃、固相線溫度539 ℃。因電機(jī)溫度控制需要，殼體內(nèi)設(shè)計(jì)有冷卻水道，故有泄漏量限制。常溫下在300 kPa壓力測試，保壓40 s后測試泄漏量應(yīng)在0.4 cm³/min以內(nèi)。另外，殼體有焊接需求，其與水套環(huán)及水套進(jìn)行攪拌摩擦焊接。

圖1 某二合一殼體

2、壓鑄工藝設(shè)計(jì)

二合一殼體鑄件體積大，鋁液通過澆注系統(tǒng)后流程長，需要選擇流程較短填充方案，經(jīng)方案論證，確定“Y”型澆排整體方案，如圖2a所示，為了減小填充過程中澆道處的能量損失，采用鷹嘴型澆道。在末端分別設(shè)置渣包，將渣包通過排氣道連接起來，匯集到1個(gè)排氣口用來抽真空。

圖2 澆排和冷卻系統(tǒng)

2.1 澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆排系統(tǒng)能保證鑄件充型時(shí)各區(qū)域合理配置，排氣順暢，盡可能減少氣體的卷入。殼體兩部分基本壁厚分別為7 mm和5 mm，內(nèi)澆道速度為28~35 m/s，內(nèi)澆道截面積為1 824 m㎡，內(nèi)澆道厚度5 mm，沖頭直徑150 mm，料缸充滿度42%，內(nèi)澆道截面積與活塞截面積為1∶9.7。根據(jù)伯努利原理可得，當(dāng)內(nèi)澆道流速為35 m/s時(shí)，沖頭速度為3.6 m/s。選用力勁集團(tuán)DCC2500臥式冷室壓鑄機(jī)，鎖模力25 000 kN。

排溢系統(tǒng)采用渣包與抽真空排氣，采用抽真空減少了填充過程中鋁液和型腔內(nèi)空氣的接觸氧化，渣包有助于將壓鑄時(shí)混進(jìn)鋁液中的脫模劑、潤滑顆粒、與空氣接觸的氧化夾渣、流動(dòng)前端所卷入的氣體從型腔排出，存放于渣包內(nèi)，保證鑄件的品質(zhì)。抽真空系統(tǒng)選用海望公司HVY800-100SM V5抽真空機(jī)，其抽真空能力100 m³/h，配備液壓式真空閥，生產(chǎn)過程中真空表顯示100 mbar。表1內(nèi)列出了澆排系統(tǒng)工藝參數(shù)。

表1 澆排系統(tǒng)參數(shù)

2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在鑄件壁厚區(qū)域設(shè)置冷卻水，確保壁厚區(qū)域冷卻效果，避免壁厚區(qū)域出現(xiàn)縮松及縮孔。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)受頂針及型芯位置的影響，難以完全顧及鑄件所有壁厚區(qū)域，但仍要盡可能兼顧模具熱平衡與鑄件厚壁區(qū)域的冷卻。冷卻系統(tǒng)見圖2b，藍(lán)色為常壓冷卻水路，綠色為模溫機(jī)油路，紅色和洋紅色為高壓點(diǎn)冷。

3、數(shù)值模擬和鑄件缺陷分析

采用Anycasting軟件對所設(shè)計(jì)壓鑄澆排工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析鋁合金液的填充效果，以及設(shè)計(jì)是否導(dǎo)致鑄件內(nèi)部缺陷。

3.1 數(shù)值模擬分析

根據(jù)初始?jí)鸿T工藝設(shè)計(jì)，在數(shù)值前處理中設(shè)置計(jì)算條件：澆注溫度670 ℃；活塞直徑150 mm；壓射速度低速為0.8 m/s，高速為4.1 m/s；模具材料為SKD61鋼，預(yù)熱溫度為180 ℃；冷卻介質(zhì)設(shè)置為水，控制進(jìn)口水溫為25 ℃；氧化夾渣選擇Anycasting默認(rèn)設(shè)置，515 ℃對應(yīng)量綱0和澆注溫度670 ℃對應(yīng)量綱1；抽真空設(shè)置50 mbar。

鑄件充型過程數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，鋁液由左右兩側(cè)內(nèi)澆道同時(shí)進(jìn)入型腔，過程中鋁液先填充澆道下方變速箱部分，進(jìn)而填充電機(jī)殼部分，當(dāng)電機(jī)殼部分填充基本完成后再填充無澆道的變速箱部分，電機(jī)殼動(dòng)模側(cè)圓周是充型末端，無澆道的變速箱殼部分也是充型末端。充型過程平穩(wěn)，卷氣情況較少，充型順序和預(yù)期基本一致，型腔完全充滿，沒有出現(xiàn)澆不足的現(xiàn)象。

圖3 充型順序

3.2 鑄件缺陷分析

根據(jù)上述分析，在力勁DCC2500壓鑄機(jī)上試生產(chǎn)，壓鑄試生產(chǎn)后，首先對鑄件進(jìn)行X光探傷，對所有區(qū)域進(jìn)行掃描和增強(qiáng)顯示，檢測壓鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。經(jīng)過多輪調(diào)試，二合一電機(jī)殼體內(nèi)部缺陷主要集中在澆道下方一處懸置孔位置，如圖4所示，無法明顯減小，達(dá)不到客戶的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 鑄件內(nèi)部氣孔和渣孔缺陷

采用Anycasting軟件充型過程粒子追蹤功能獲得流場中的流線、渦旋等信息，如圖5所示，從圖中可以看出，充型過程鋁液通過澆道以極高速度向下填充，在懸置孔下方遇到阻力后反向填充，進(jìn)而沿著殼體厚壁充型，形成回卷渦流。型腔內(nèi)的氣體無法排出，另外鋁液前端冷卻的顆粒狀鋁渣無法排出型腔，其和未排出的氣體混合在一起造成鑄件局部氣孔、渣孔。

圖5 充型過程粒子跟蹤分析

4、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和數(shù)值模擬分析

使用UG軟件優(yōu)化二合一電機(jī)殼澆注系統(tǒng)，如圖6所示，首先切斷懸置孔附近的澆道，改為渣包，將懸置孔充填過程中渦流卷氣造成的缺陷排出鑄件外部，作為方案一；因封堵一處澆道造成整體的澆道面積減小，所以將切斷的澆道兩側(cè)的澆道加大作為方案二；切斷的澆道左側(cè)的澆道不加大作為方案三，驗(yàn)證充型效果。

圖6 澆注系統(tǒng)改進(jìn)方案

采用上述三種澆注系統(tǒng)方案，分別采用Anycasting軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，查看澆道下方懸置孔部位的充型效果。如圖7所示，方案一中，鋁液在渣包口左側(cè)進(jìn)入渣包后又在右側(cè)有擠壓排入型腔的趨勢；方案二中，鋁液在渣包口右側(cè)進(jìn)入渣包后又在左側(cè)大量擠壓排入型腔；方案三中，鋁液匯入渣包后未發(fā)現(xiàn)回流進(jìn)入型腔的現(xiàn)象。

圖7 針對不同澆注系統(tǒng)改進(jìn)方案的數(shù)值模擬結(jié)果

綜上所述，方案三澆注系統(tǒng)最為理想；在方案三的基礎(chǔ)上加大渣包體積，改善充型效果，如圖8a所示，作為最終的澆注系統(tǒng)改善方案。

圖8 最終澆注系統(tǒng)方案和試模驗(yàn)證結(jié)果

5、優(yōu)化效果

本研究過程中，首先通過對鑄件結(jié)構(gòu)特征分析，設(shè)計(jì)了初始?jí)鸿T工藝并試產(chǎn)鑄件；其次，通過對試產(chǎn)鑄件缺陷分析并通過多次澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)整，確定了澆注系統(tǒng)整體方案；第三，進(jìn)一步對鑄件懸置孔局部缺陷分析，確定了改進(jìn)方案；最后，針對改進(jìn)方案，加大渣包體積，確定最終優(yōu)化澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以上過程中多次用到數(shù)值模擬技術(shù)分析缺陷產(chǎn)生的原因，找到了工藝完善方向。模具試模驗(yàn)證澆注系統(tǒng)有效，氣體和夾渣進(jìn)入了渣包，消除了懸置孔部位氣孔和渣孔缺陷，如圖8b所示。

6、結(jié)束語

針對某新能源轎車鋁合金二合一殼體成形需求，反復(fù)運(yùn)用Anycasting軟件和工藝試驗(yàn)進(jìn)行壓鑄工藝改進(jìn)完善，分析并發(fā)現(xiàn)鑄件充型過程局部渦流、卷氣導(dǎo)致鑄件缺陷的原因，最后得到優(yōu)化的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過試模驗(yàn)證，證明了優(yōu)化方案的可行性。

作者
雷書星 侯志杰 唐培潔 宋曉紅
大連亞明汽車部件股份有限公司
本文來自：鑄造雜志