 原标题：壳体压铸工艺设计及优化 摘要：根据壳体的结构特点对其进行压铸工艺设计。通过对两种浇注系统利用ProCAST软件进行数值模拟，分析了缩孔、缩松产生的位置及原因，通过对比选择一种较优的浇注系统进行压铸工艺优化。结果表明，经过工艺优化，铸件无缩孔、缩松缺陷，且经过生产验证，满足技术要求。 压铸是一种自动化程度较高，且能大量生产形状复杂零件的铸造技术，其生产出的铸件具有致密性良好、精度较高、加工余量少、力学性能优良等优点，在汽车、机械装备等领域中得到了广泛应用。而机壳壳体是汽车零部件安装的重要载体，其壁厚较薄，但对其力学性能、精度、气密性要求较高，且需要大批量生产，因此压力铸造成为制造壳体最好的选择。 在本研究中，通过对铸件的结构进行分析，设计了铸件的浇注系统，并利用ProCAST软件对其进行模拟，通过分析模拟结果，对工艺进行优化，消除其存在的缩孔、缩松等缺陷问题，从而得到了满足壳体技术要求的压铸工艺。 1.壳体结构 研究的铸件为某公司生产的用于汽车零部件的机壳壳体，其三维造型示意图如图1所示，其中深色区域为铸件的加工面，加工余量为0.5 mm，铸件的轮廓尺寸为103 mm×98 mm×89 mm，铸件体积为234 108 m³，质量为632 g，最厚壁5.5 mm，最薄壁2.5 mm，平均壁厚3 mm。铸件材料为具有较好流动性、良好气密性、高耐磨性的Al-Si-Cu系合金YL113，其合金成分如表1所示。铸件要求表面光洁，起模斜度不超过1.5°，铸件收缩率为0.6%，内部无缩孔、缩松等缺陷。
图1 铸件三维造型示意图
表1 YL113合金成分 wB/% 2.压铸工艺设计 在模具设计中，压铸工艺最为重要，直接影响铸件的质量、生产成本、模具制造难易程度等。压铸工艺包括分型面的选择、浇注系统的设计、溢流和排气系统的设计。 2.1 分型面的选择 机壳壳体形状比较复杂，需要设置抽芯机构，故模具制造较难，因此铸件采用一模一腔的铸造方式。根据分型面选择的最基本原则：选择铸件投影面积的最大区域。本铸件有两种分型面设置方法，如图2所示，采用分型面a，只需设置一个抽芯机构，但铸件型腔较深，型芯包紧力较大，铸件不易脱出；其次铸件壁较薄，不易设置推出机构。采用分型面b，铸件需设置多个抽芯机构，模具制造复杂，但是铸件上下基本对称，铸件充型平稳，其次方便设置推出机构，有利于溢流槽和排气槽的设置，更能满足压铸工艺要求，故本铸件选择分型面b。
图2 铸件分型面示意图 2.2 浇注系统的设计 浇注系统设计方案的三维示意图如图3所示。
图3 浇注系统三维示意图 2.2.1 内浇口设计 内浇口可分为：扁平内浇口、端面侧浇口、中心内浇口、环形内浇口等。本壳体属于圆筒类，为了避免金属液直接冲击型芯和粘附现象的产生，两种浇注系统都采用环形内浇口切向进料，即在铸件一旁设置环形浇道，金属液充满环形浇道后进入型腔，这样金属液就可以在环形圆周上得到大致相同的速度，使金属液充型平稳，型腔内的气体容易排出。其次也可以在内浇口上设置推杆避免在铸件上有推杆的痕迹。
内浇口的截面积按公式（1）计算。 式中：A g 为内浇口的截面积，㎡；V为压铸件与溢流槽的体积之和，m³；v为内浇口处金属液的充填速度，m/s；t为型腔的充型时间，s。对于铝合金来讲，内浇口的速度一般取20～60 m/s，平均壁厚为3 mm的铸件充型时间为0.028～0.04 s，内浇口壁厚为1.5～2.5 mm。取充填速度为40 m/s，充型时间0.03 s，内浇口壁厚2 mm。计算得内浇口的截面积A g =223.6 ㎡，内浇口宽度为111.8 mm，设置四个方向进料，平均每个内浇口宽度为28 mm。设置的环形浇道外径 106 mm，内径 86 mm，厚度20 mm。 2.2.2 横浇道设计
横浇道是金属液从直浇道到内浇口的过渡通道，对于不同的压铸件横浇道有不同的结构形式，而对于圆筒类形状的铸件，采取圆弧收缩式结构。为了防止金属液在流动时产生负压，横浇道的截面积应逐渐减小。本研究采用卧式冷室压铸机，其横浇道的深度按公式（2）计算。 式中：D为横浇道深度，mm；T为内浇口厚度，mm。取D=10 mm，由于横浇道切向进料，横浇道最小宽度为20 mm，为了便于铸件更好脱模，设置横浇道的起模斜度为15°。 2.2.3 直浇道设计 直浇道是金属液从压铸机进入型腔的首要通道，其大小与压铸机的压室直径有关，本研究压室直径选取60 mm，余料厚度设置为10 mm，起模斜度为10°。 2.3 溢流槽的设计 根据设计原则，溢流槽一般设置在金属液汇合、型腔附近难以排气的地方。本铸件上下分型，故在分型面处会有金属液汇合，因此对于两种浇注系统都需要在分型面处设置溢流槽；其次为了防止环形浇道的金属液发生回流，两种浇注系统都需在环形浇道两边各设置一个溢流槽。而由图2b可知，铸件正前方壁厚较厚，为充分排除气体和夹杂，故对浇注系统I，在左右两侧各设置1个溢流槽。浇注系统I、II溢流槽三维示意图分别如图4a、b所示。
图4 溢流槽三维示意图 3.数值模拟与优化 将三维造型导入模拟软件ProCAST中进行网格划分，设置铸件网格单元尺寸为2 mm，模具网格单元尺寸为10 mm。 3.1 工艺参数的设置 设置模拟工艺参数：（1）铸件材料为欧洲标准的ENAC-41600（YL113），模具材料为H13；（2）金属液浇注温度推荐值如表2所示，本研究取620 ℃，模具预热温度为220 ℃；（3）模具与铸件的传热系数为1 000 W/（㎡ ·K）；（4）金属液的充填速度为3 m/s，铸件采用空冷方式冷却。
表2 铝合金浇注温度 3.2 初步工艺方案模拟 浇注系统I的充型过程见图5。可以看出，充型32.7%时，金属液开始流向内浇口；充型52.4%时，金属液流向铸件底部，并有少量金属液开始流向溢流口；充型74.2%时，铸件轮廓几乎充填完成，少量金属液流向溢流口；充型96.85%时，铸件轮廓充填完成，金属液流向溢流槽。从整个充型过程中可以看出，金属液充型平稳，金属液从直浇道流向横浇道，再流向环形内浇口，最后充型的部位为储存冷污金属液和空气的溢流槽，金属液流向正确，浇注系统I设置合理。
图5 浇注系统I充型过程示意图 图6为浇注系统II的充型过程。由图知，当充型34.5%时，金属液开始从环形内浇口流向铸件；充型55.6%时，金属液从四个方向流向铸件的端部，少量金属液开始流向溢流口；充型76.8%时，铸件轮廓几乎充型完成，金属液流向溢流槽；充型96.8%时，金属液充填溢流槽，储存冷污金属液。整个充型过程，金属液流动平稳，无飞溅现象，金属液从环形内浇口流向铸件，最后充填溢流槽，金属液流向正确，浇注系统II设置合理。
图6 浇注系统II充型过程示意图 浇注系统I、II铸件完全凝固时的温度场见图7，可以看出两种浇注系统铸件在侧壁中间部分温度较高，其原因是铸件中间部分内设加强筋，铸件壁厚较厚，在凝固过程中散热较慢，易产生热节，预测此部位会产生缩孔、缩松缺陷。
图7 铸件完全凝固后的温度场 图8为铸件采用浇注系统I所产生的缩孔、缩松缺陷。铸件产生缺陷集中的地方是铸件加强筋壁厚较大的地方，其原因是铸件在此区域凝固时温度较高，金属液凝固较慢，凝固速率不均匀，此时会产生细小的孔洞被孤立，从而在完全凝固时得不到金属液的补缩，出现缩孔、缩松缺陷。
图8 浇注系统I缺陷示意图 采用浇注系统II的铸件缺陷示意图如图9所示，也在铸件壁厚的地方出现缩孔、缩松缺陷，且比采用浇注系统I产生的缩孔、缩松缺陷多，其原因是浇注系统II的内浇口离铸件壁厚的地方近，而浇注系统I内浇口离铸件壁厚地方较远。因此在铸件壁厚区域，采用浇注系统II比采用浇注系统I的温度高，在铸件凝固时，产生的因凝固速率不均匀而被孤立的细小孔洞变多，在完全凝固时，产生的缩孔、缩松缺陷多。因此对于两种浇注系统，采用浇注系统I，铸件的缺陷较少，工艺较优。
图9 浇注系统II缺陷示意图 3.3 工艺优化 为了使铸件在壁厚处凝固均匀，本研究在铸件产生的缩松、缩孔区域正下方设置了冷却水道，并在缩松、缩孔区域集中的地方设置两个溢流槽，使其充分排除气体和夹杂，转移缩松位置，其优化后的工艺方案如图10所示。优化后工艺参数设置其冷区水道与模具的换热系数为2 000/（㎡·K），其他参数不变。工艺优化后的缩孔、缺陷见图11。可以看出，铸件在加强筋壁厚处无缩松、缩孔缺陷，满足技术要求。说明初步设计工艺产生的缺陷是铸件冷却不均匀造成。
图10 优化方案三维图
图11 优化后的缩孔、缩松示意图 3.4 生产验证 图12为采用浇注系统I优化后生产的壳体铸件。通过检测，发现其内部无缩孔、缩松缺陷，表面无裂纹，满足力学性能要求，且达到尺寸精度、气密性要求，已大批量生产。
图12 铸件实物图 3.结论 （1）根据壳体的结构，设计了铸件的两种浇注系统，并利用ProCAST软件对其进行数值模拟，结果显示铸件在壁厚处产生缩孔、缩松缺陷；内浇口设置在铸件壁厚较远的地方产生的缩孔、缩松缺陷较少。分析发现铸件产生缩孔、缩松的原因是铸件在壁厚处凝固不均匀，部分区域被孤立得不到补缩。 （2）通过工艺优化，使得铸件无缩孔、缩松缺陷，并采用优化后的工艺进行生产验证，通过检测发现铸件内部无缩孔、缩松缺陷，且满足技术要求，可以用于指导类似铸件压铸工艺设计。
作者
勾健
李湖涛 本文来自:《铸造》杂志 |
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