原標(biāo)題：壓鑄實(shí)例！電機(jī)殼體壓鑄工藝數(shù)值模擬及厚壁缺陷預(yù)測(cè)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)憑借其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、效率高、低能耗等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，其電機(jī)殼體為薄壁壓鑄件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易畸變，且要求良好的氣密性與較高的強(qiáng)度，因此成形困難、工藝復(fù)雜。壓鑄充型凝固過(guò)程的數(shù)值模擬可以針對(duì)在壓鑄工藝設(shè)計(jì)階段對(duì)鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位予以有效地預(yù)測(cè)，從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，以確保鑄件的質(zhì)量、縮短試制周期和降低生產(chǎn)成本。

本研究以薄壁電機(jī)殼體零件為對(duì)象，基于某模流分析軟件對(duì)充型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)殼體鑄造工藝復(fù)雜、鑄件品質(zhì)要求高等問(wèn)題，應(yīng)用HyperMesh軟件及ProCAST軟件分別進(jìn)行了有限元模型的建立，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)殼體鑄造工藝進(jìn)行模擬分析，并預(yù)測(cè)鑄件內(nèi)部出現(xiàn)缺陷的位置及大小。對(duì)工藝方案進(jìn)行試生產(chǎn)，并對(duì)生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行X射線探傷觀察。對(duì)壓鑄件后期生產(chǎn)產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，為壓鑄模具設(shè)計(jì)以及鑄造工藝的優(yōu)化提供參考。

圖文結(jié)果

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)的殼體見(jiàn)圖1。鑄件為薄壁圓筒零件，殼體零件平均壁厚為4mm，厚度分布較為均勻，最小壁厚處為2mm，最大壁厚處為13mm。鑄件后期需要對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行機(jī)加工及表面處理，以滿足鹽霧試驗(yàn)720h無(wú)紅銹的要求。要求壓鑄件氣孔最大尺寸不超過(guò)?0.4mm、間距為8mm以上。利用UG軟件對(duì)電助力轉(zhuǎn)向電機(jī)殼體產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)體建模，確定分型面，對(duì)其澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)以及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。正確選擇分型面，不僅有利于澆注系統(tǒng)的布置，保證壓鑄件開(kāi)模后留在動(dòng)模內(nèi)，而且有利于模具結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，提高壓鑄件尺寸精度和表面品質(zhì)。根據(jù)壓鑄件為圓筒形薄壁殼體零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取圖2中的A-A面作為分型面。該分型面選擇在滿足壓鑄工藝要求的基礎(chǔ)上有利于設(shè)置符合鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的環(huán)形澆注系統(tǒng)。選擇的澆注系統(tǒng)見(jiàn)圖3，金屬液在充滿環(huán)形澆道后，再沿著型芯方向充填。該系統(tǒng)具有良好的排氣條件和較短的流程，使金屬液進(jìn)入型腔順暢，形成良好的充填條件。

圖1 殼體零件圖

圖2 分型面

圖3 殼體零件澆注系統(tǒng)

對(duì)于壓鑄模具而言，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于控制模具溫度，使得內(nèi)部熱量能夠達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，提高模具使用壽命，保證鑄件品質(zhì)。在動(dòng)模和定模中分別設(shè)置了冷卻水道和點(diǎn)冷相結(jié)合的冷卻形式，可以實(shí)現(xiàn)更高和更均勻的冷卻速度。冷卻系統(tǒng)分布情況見(jiàn)圖4。模芯結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。薄壁圓筒殼體的開(kāi)口兩側(cè)由兩個(gè)鑲塊成形，殼體頂部鑲塊1包含型芯1和型芯2，以成形殼體兩側(cè)孔洞結(jié)構(gòu)。

圖4 冷卻水道分布

圖5 模芯結(jié)構(gòu)圖

表1 主要壓鑄工藝參數(shù)

表2 壓鑄生產(chǎn)周期(s)

鑄件在充型過(guò)程中不同時(shí)刻的流場(chǎng)分布情況見(jiàn)圖6。由于壓鑄具有高速高壓的特點(diǎn)，整個(gè)填充過(guò)程為0.06s，充型時(shí)間分布見(jiàn)圖7?？梢钥闯?，金屬液沿著環(huán)形澆道進(jìn)入型腔，最后填充部位為距離澆口最遠(yuǎn)的溢流槽，金屬液的填充整體上滿足順序填充。

圖6 鑄件充型過(guò)程流場(chǎng)圖

圖7 鑄件充型時(shí)間分布圖

對(duì)10個(gè)壓鑄周期的壓鑄方案進(jìn)行模擬。選取分別位于鑄件、定模、動(dòng)模的型腔表面的3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，見(jiàn)圖8，得到了壓鑄循環(huán)溫度變化曲線見(jiàn)圖9。可以看出，循環(huán)到第7個(gè)周期時(shí)，鑄件、定模、動(dòng)模的溫度都趨于穩(wěn)定，模具和鑄件達(dá)到熱平衡。而后選取達(dá)到熱平衡的循環(huán)中的第9個(gè)循環(huán)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。分別選取了第9次循環(huán)周期中模具以及滑塊在充型開(kāi)始至噴涂脫模劑前時(shí)間段中幾個(gè)時(shí)刻下的溫度變化進(jìn)行分析，溫度變化情況見(jiàn)圖10。可見(jiàn)在充型階段，模具的溫度場(chǎng)隨著金屬液的流入，型腔上的溫度激增。在保壓凝固階段，模具的冷卻系統(tǒng)帶走大部分熱量，而后進(jìn)入開(kāi)模取件噴脫模劑階段，模具型腔表面溫度下降至充型前階段的均溫200℃?？梢钥吹?，方案中的冷卻系統(tǒng)能夠很好地帶走模具中多余的熱量，使得模具最終達(dá)到熱平衡，顯著地改善了鑄件溫度場(chǎng)分布。

圖8 鑄件與模具溫度分析選點(diǎn)圖

圖9 溫度變化曲線圖

圖10 模具與滑塊在不同階段的溫度場(chǎng)

圖11 縮孔預(yù)測(cè)以及體積測(cè)量結(jié)果

用設(shè)計(jì)的模具以選定的工藝參數(shù)進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，得到實(shí)際生產(chǎn)的鑄件見(jiàn)圖12，根據(jù)鑄造模擬軟件的缺陷預(yù)測(cè)結(jié)果選取鑄件掛耳及厚壁處（A、B、C和D處）進(jìn)行局部X射線探傷檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖13。可以看到，A、B、C和D處均存在不同程度的縮孔、縮松缺陷。A處和B處有數(shù)量較多、范圍大但較為細(xì)小的缺陷存在。D處也存在相同情況的缺陷，但缺陷與缺陷間距離小，整體范圍小。C處表現(xiàn)出相連的缺陷狀況，存在明顯的縮孔缺陷。

圖12 壓鑄生產(chǎn)殼體零件

圖13 鑄件局部探傷圖

結(jié)論

（1）基于傳統(tǒng)壓鑄模具設(shè)計(jì)方法和理論對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)殼體壓鑄模具進(jìn)行澆排系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。基于圓筒形厚壁不均勻類鑄件壓鑄特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了合理的模具。

（2）基于ProCAST軟件對(duì)電機(jī)殼體進(jìn)行了金屬液流場(chǎng)、模具溫度場(chǎng)的模擬，壓鑄件充型過(guò)程中金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，符合鑄件充型次序，經(jīng)過(guò)7次壓鑄循環(huán)后模具達(dá)到熱平衡狀態(tài)，且模具各部件的溫度波動(dòng)均在合理范圍內(nèi)。

（3）對(duì)比X射線探傷結(jié)果，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的縮孔、縮松位置和區(qū)域與實(shí)測(cè)檢測(cè)結(jié)果一致。

本文作者：

計(jì)鑫
浙江理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
劉立君 賈志欣 李繼強(qiáng) 計(jì)鑫
浙大寧波理工學(xué)院機(jī)電與能源動(dòng)力學(xué)院
廖大華 方杰
寧波眾鑫壓鑄模具有限公司

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴