原标题：电动汽车水泵压铸件水冷镶块水道数值模拟与优化设计

压铸是获得高精度和低表面粗糙度铝合金铸件的一种高效成形方法，但在压铸件中常出现缩孔、缩松和夹杂等缺陷，极大降低了铸件的力学性能。常用于压铸的ADC12铝合金为Al-Si-Cu系铝合金，合金中Cu作为强化元素，能固溶于铝基体中或形成合金相（主要是Al2Cu相和Al5Cu2Mg8Si6相）。材料凝固具有较宽的温度区间，在内部晶核形成的同时枝晶生长，形成孤立液相区，这些液相区最终易形成分散的缩松缩孔缺陷。在外部其凝固温度的不一致，易导致材料表面的翘曲变形，进而影响其粗糙度。为此，国内外研究者展开了大量的研究。目前采用较多的方法是在模具内增设冷却水道，保证铸件顺序均匀凝固的同时，减少缩松缩孔缺陷发生的可能性。研究者针对上滑块无法设置冷却水道的问题，进行了结构优化，最终使冷却能力提高了近100%，并有效解决了因擦伤带来的铸件缺陷。针对电动汽车铝合金副车架结构壁厚不均造成的低压铸造缺陷，局部增加冷却镶块来消除孤立液相，最终能使得铝合金冷却顺序凝固，提高了内部组织的致密度及铸件质量。采用分级模温通水设计，在其内部设计冷却通道和点冷却装置，实现了铸件成形区域的温度平衡。根据壳体压铸件的结构特点，采用点冷和冷却水道相结合的措施，得到的铸件温度分布较均匀，温度梯度变化较小。为了避免零件凝固后的翘曲变形，基于塑料加工迭代优化冷却水道布局的程序运用到压铸工艺里面，最终优化好的水道设计能生产比传统模具翘曲更小的零件。研究冷却水道与模具/嵌件界面之间距离的影响，以及水流速率与界面处接触压力的影响，进而通过数值模拟来帮助优化设计，得到合理的冷却水道。

压铸冷却过程涉及多种传热现象，主要是传导传热、对流传热及辐射传热，熔体冷却过程的大部分热量是通过冷却剂的对流传热散失，剩余少部分热量才是通过模具外壁自然对流或热辐射等方式散失。有研究者利用有限元模拟得到了模具热应力、热疲劳和铸件凝固分数随冷却排布间隔变化的规律，以为锥形件压铸模具冷却水道设计提供依据。对比传统冷却技术与随形冷却技术在冷却过程的差异性，得出了冷却水道直径、冷却水道中心距模具壁面的距离、两相邻冷却水道距离这3个因素对于模具冷却起最主要影响。

本研究采用铸造模流软件对水泵压铸件的充型凝固过程进行数值建模与分析，对比分析传统冷却直道与随形冷却水道的模拟结果，得出其对缺陷影响的程度。随后将随形冷却水道系统用于实际生产，X射线探伤观察铸件成形质量，旨在为相关生产提供参考。

图文结果

水泵座压铸件材质为ADC12铝合金，其化学成分见表1。压铸模具材质为H13钢。图1为H13钢的热物性变化情况。水泵座的轮廓尺寸为145.7mm×135.1mm×136.3mm，体积为264477.3mm3，质量约为0.71kg，水泵压铸件三维模型及压铸模具见图2。

用UG检查功能检测水泵压铸件壁厚（水泵座＋流道＋料饼＋溢流槽），水泵压铸件正面、侧面、反面壁厚见图3。可知压铸件平均壁厚为4.78mm，最大厚度为23mm，最小厚度约为1.9mm。除开流道、料饼和溢流槽，水泵座部分壁厚分布不均匀，有7处超过11.5mm的大壁厚（见圆圈标注），主要集中于凹凸结构过渡区域、泵座底部和碗形深腔顶部。

表1 ADC12合金的化学成分(%)

图1 H13钢特性与温度关系图

图2 水泵压铸件三维模型及压铸模

图3 水泵压铸件三面壁厚

针对于碗形深腔顶部增加水道设计，见图4。该处连接着两个内浇口，是除了料饼之外，最早受到金属液充型的地方。其顶部壁厚也是整个水泵座最厚的部位之一，需要在此处设计冷却水道，避免铸件表面的翘曲变形和内部缩松缩孔缺陷的发生。设计水道直径过大会使流速变慢，雷诺数降低，传热系数降低。过小会导致流速变快、冷却水道间隔太小，导致散热不好，进而导致产品局部产生缺陷。

（1）传统冷却水道方案

采用直线型，通常是直接在模板和模芯中钻孔得到，具有结构简单、加工成本低等特点。原有的冷却系统就是针对水泵压铸件大壁厚部位布置的冷却水道，共有6条直通水道。在原有传统冷却系统基础上，根据深腔顶部中空的结构特征，增设传统冷却直道（图4中圆圈标注）。

（2）随形冷却水道方案

由于深腔顶部的结构复杂，传统冷却直道无法在内腔进行有效布局，进而无法获得均匀的温度梯度，影响了铸件品质。为了解决这个问题，在模具水冷镶块内腔增设随形冷却水道。冷却水道的建模大致分为：确定冷却水道的尺寸和传热系数、确定水道中心线和生成冷却水道。

图5为水道离型腔间距与模具热变形量关系图。可以看出，控制水道离型腔间距在11~13mm之间，模具热变形量趋于极小值，能够有效平衡热梯度以及提高模具使用次数。

图4 增设传统冷却水道方案

图5 水道离型腔间距与模具热变形量关系图

为了统一冷却水道相关工艺参数，采用正交试验得到影响铸件冷却均匀性的参数（水道直径、水道离型腔间距、水流速度和传热系数）范围优化值。模拟采用传统水道方案里的模型，因变量取最终凝固时深腔顶部两点总冷却时间差值，选择望小特性，4因素3水平试验表见表2。得到的冷却水道范围优化工艺参数：水道直径为3.5mm、水道离型腔间距为12mm、水流速度为2.5 L/min、传热系数为3500W/（m2·K）。

提取铸件深腔凹模的边缘线一定距离（h=8mm），充分考虑模具深腔顶部圆角处的应力分布及传热效应，以凹模顶部圆角位置作为基点，用离型腔距离确定其布置水道的中心点；然后同确定好的水道直径4.5mm画圆，在类球壳界面上做螺旋式引导，并与沿着顶部正中心及重力方向的轮廓线相连接，使其覆盖深腔顶部型腔，见图6。采用圆形的水道截面和紧贴内腔形状的多层螺旋型结构，可以达到接触面均匀冷却的效果。

表2 L9（34）正交试验表

图6 增设随形冷却水道方案

首先用UG建立简易的活塞、压室和模具，将其连同冷却水道（传统冷却直道和随形冷却水道）和水泵压铸件（水泵座＋流道＋料饼＋溢流槽）一块装配，然后在模流软件界面进行面网格和体网格划分。设置铸件面网格尺寸为1mm，冷却水道面网格尺寸为1.5mm，活塞、压室和模具面网格尺寸为4mm。带有传统冷却直道的有限元模型面网格数量为127076，体网格数量约为245万，带有随形冷却水道的有限元模型面网格数量为129052，体网格数量约为233万。有限元模型见图7。模拟的工艺参数包括浇注温度为640℃，模具预热温度为240℃，活塞快压射速度为3 m/s，慢压射速度为0.3m/s，压室高度为300 mm，可以得到快压射时间为0.018s，慢压射时间为0.818s。其活塞运动速度与时间曲线见图8。

图7 有限元模型

图8 活塞运动速度与时间关系图

用模流软件中的void预测模型充型过程中易出现裹气的部位，见图9。可以看出，当铸件充型70%时最开始填充离内浇口最近的碗形深腔顶部，而在充型80%的时候，深腔顶部和3个圆孔基本充满，说明充满深腔顶部的金属液流速很快，这不利于内部收缩甚至产生缩孔。铸件充型90%时，除溢流槽和一侧边圆孔外，铸件内部已经充填完毕，而在充型95%时，只有溢流槽部分未充满，表明侧边单一圆孔金属液填充速度过快，容易出现缩孔缺陷。图10为两种冷却水道的铸件凝固30%时温度场及温度趋势。可见传统冷却水道的碗状深腔温度约为570℃，而带有随形冷却水道效果更优，深腔边缘温度约为540℃，顶部为557℃，在型腔内部能够避免热节处出现孤立液相区导致无法补缩的问题，进而避免缩松缩孔缺陷的发生。

图11为带有传统冷却水道和随形冷却水道模具充型凝固完成后的温度场，将其沿着XY、XZ方向切片，对比模具温度变化。从沿着XZ切片图可以看出，在深腔顶部左外表面上和深腔内部温度随形水道的冷却效果优于传统水道。随形冷却水道左表面温度梯度由少部分温度区间226.7~268℃转变为大部分，且深腔内部268.0~309.3℃的温度呈降低趋势。图12为深腔最终凝固时间分布图。

图9 充型过程裹气预测

图10 铸件凝固30%过程温度场以及凝固过程温度趋势图

图11 模具沿（XY、XZ）方向切片温度图

图12 深腔最终凝固时间分布图

图13为传统冷却水道和随形冷却水道下铸件缩松缩孔预测图。可以看出，随形冷却水道下铸件内部质量更好，在调整缺陷概率发生20%的情况下，溢流槽和底部矩形通孔端面都有缩孔缺陷发生，但在铸件深腔内的最后充型位置A、B处的局部缩松率存在着较大差异。传统冷却水道下的铸件A处出现了缩松，体积为0.1746cm3，而随形冷却水道下的缩松体积下降到0.1356cm3；传统冷却下B处产生的0.0194cm3缩松体积在使用了随形冷却镶块后直接消除。

传统冷却水道下的铸件缩松缩孔体积约为0.8436cm3，缩松缩孔发生平均概率约为25.57%。带有随形冷却水道镶块的铸件缩松缩孔体积约为0.7605cm3，减少了9.8%，缩松缩孔平均发生概率降低到24.92%。这是由于采用了随形冷却的铸件能够有效降低深腔顶部壁厚区域的温度，使得铸件与模具间温差小，保证了金属液流动畅通，针对孤立液相区的补缩能力提高，进而降低了缩松缩孔发生的可能性。

图13 铸件缩松缩孔预测图

将模拟验证最优冷却方案的随形冷却镶块安装到模具上，采用海天HDC400压铸机进行实际生产，后处理去除溢流槽后的铸件见图14。从外观能够初步判断该铸件具有较好的表面粗糙度，无明显翘曲变形。对图14水泵压铸件分成4个区域进行X射线探伤，观察铸件内部是否产生缩松缩孔缺陷，结果见图15，可以看出铸件内部无缺陷。在水泵座深腔顶部取样，见图3a圆圈所示。线切割机切割并用XQ-1镶嵌试样，用300~1000目砂纸打磨后用抛光布和W1及W2.5金刚石研磨剂在金相试样磨抛机上抛光，用体积分数为0.5%的HF腐蚀，静置3~5s后用无水乙醇清洗干净并用吹风机吹干。使用蔡司AxioVertA1光学显微镜观察显微组织。使用蔡司EVO18型扫描电镜进行SEM观察。组织分析见图16。

图14 水泵座铸件

图15 分区X射线探伤

图16 水泵座铸件微观分析

结论

（1）针对水泵压铸件深腔顶部位置可能会出现表面翘曲变形、内部缩松缩孔缺陷的问题，在分析其结构特点的基础上，发现因为壁厚过大、金属液流速过快、温度过高导致的深腔易发生缺陷。

（2）提出了在模具内增设传统冷却水道和随形冷却水道以达到提高铸件质量的方案。结果显示，随形冷却水道比传统冷却水道有更好的冷却效果，更能加快铸件深腔凝固速度和抑制缩松缩孔缺陷的发生。与传统冷却水道相比，镶块内部的缩松缩孔体积由0.8436 cm3减小到0.7605 cm3，缩松缩孔发生的平均概率只有24.92%，最终凝固时间大部分区间由6.87~9.28s缩短为4.47~6.87s。

（3）装有随形冷却镶块的模具制造生产的铸件通过X射线探伤技术、金相组织观察和SEM观察，发现铸件表面无翘曲变形，内部组织晶粒细小且致密度高。

《水泵压铸件水冷镶块水道数值模拟与优化设计》

龚琛普1 龚海军1 卢红林2 宋鹏1 刘晓龙1

1.重庆交通大学机电与车辆工程学院；2. 重庆东科模具制造有限公司

本文转自自：《特种铸造及有色合金》