安肇勇，黃志垣，，閆 鋒，，李建盛

（1.廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東 肇慶 526000；2.廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，越來越多的汽車零部件采用鋁合金進(jìn)行輕量化生產(chǎn)，并且鑄件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、鑄件質(zhì)量要求越來越高、開發(fā)周期越來越短[1]。由于鋁合金密度低，強(qiáng)度性能與灰鑄鐵相近，韌性卻高于灰鑄鐵，且具有良好的鑄造性能，可成形復(fù)雜的薄壁汽車零件[2]，因此，擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用可以明顯地減輕汽車自重，滿足汽車行業(yè)激烈競(jìng)爭(zhēng)需要[3-4]。鋁合金通過合金元素強(qiáng)化，其強(qiáng)度大大提高，結(jié)合質(zhì)輕、散熱性好等特性，很好地滿足了變速箱離殼、變殼、電機(jī)殼體等零部件在惡劣環(huán)境下工作的要求。鋁合金電機(jī)殼體壓鑄成型技術(shù)可以通過凈化、精煉、細(xì)化、變質(zhì)等控制材質(zhì)質(zhì)量，通過精密壓鑄成形使得鑄件質(zhì)量達(dá)到一致性和穩(wěn)定性。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，壓鑄模擬技術(shù)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，這對(duì)提高鑄件內(nèi)部品質(zhì)、縮短鑄件開發(fā)周期、降低成本等具有重要意義[5]。

本論文以某新能源汽車電機(jī)殼體為例，利用MAGMA 模擬軟件對(duì)其壓鑄過程進(jìn)行模擬以縮短該產(chǎn)品的開發(fā)周期，并結(jié)合試制和試生產(chǎn)階段的問題進(jìn)行分析和改善。

1 鑄件的結(jié)構(gòu)及開發(fā)技術(shù)要點(diǎn)

汽車電機(jī)殼體壓鑄零件如圖1 所示。該零件輪廓尺寸為459 mm×275 mm×281 mm，壓鑄件重量為8.675 kg，平均壁厚為4 mm，投影面積為90 296 mm2，鑄件材質(zhì)ADC12 鋁合金。該鑄件有多處的厚壁熱節(jié)部位（圖1 圈位置），易造成縮孔；要求產(chǎn)品表面無毛刺飛邊及壓鑄缺陷；所有尺寸符合圖紙以及裝配要求，特別是平面度以及定位孔位置度必須滿足圖紙的要求；內(nèi)部大腔、軸承孔等部位，不能出現(xiàn)氣孔、縮孔、疏松等缺陷，以免降低產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度；并且產(chǎn)品要求氣密性試驗(yàn)，具體氣密性要求為：試漏壓力200 kPa，允許泄漏量＜5 ml/min.

圖1 電機(jī)殼體零件圖

該零件在2700T（IDRA）臥式冷壓室壓鑄機(jī)上生產(chǎn)，該壓鑄機(jī)配有世界先進(jìn)的壓射控制和工藝監(jiān)控系統(tǒng)。

在開發(fā)本產(chǎn)品的過程中，為了縮短開發(fā)周期，使用壓鑄模擬分析軟件MAGMA 進(jìn)行工藝分析。由于產(chǎn)品電機(jī)殼體部分內(nèi)部質(zhì)量要求相對(duì)高且壁厚相對(duì)大軸承孔位置厚，故而采用鑄件豎起來由電機(jī)殼側(cè)進(jìn)澆方式而不是常見的鑄件水平擺放整體進(jìn)澆，預(yù)設(shè)計(jì)澆注-排溢系統(tǒng)進(jìn)行模擬。采用三種方案，如圖2 所示，方案1 為兩側(cè)進(jìn)澆，方案2 為左側(cè)進(jìn)澆，方案3 為右側(cè)進(jìn)澆。

圖2 鑄件澆注方案設(shè)計(jì)

圖3 壓射填充時(shí)間2.61 s、型腔填充率為68%時(shí)鑄件填充模擬結(jié)果

圖3 為3 種不同方案在壓射填充時(shí)間2.61 s、型腔填充率為68%時(shí)的狀態(tài)。從模擬效果得出，方案1 在電機(jī)殼大圓位置存在卷氣（圖3 標(biāo)注圈），由于該位置為關(guān)鍵位置，不允許存在氣孔，所以該方案不采用。

圖4 為3 種不同方案在壓射填充時(shí)間2.63 s、型腔填充率為82%時(shí)的狀態(tài)，從模擬效果證實(shí)，方案2 與方案3 卷氣主要集中在鑄件填充末端且其他關(guān)鍵位置卷氣較少（圖4 方案2 和方案3 上部?jī)蓚€(gè)標(biāo)注圈），又因?yàn)榉桨? 鋁液填充時(shí)溫度場(chǎng)過于不均衡（圖4 方案3 內(nèi)下部圈內(nèi)，圈內(nèi)溫度區(qū)間從580 C°～630 C°），所以選擇方案2.

圖4 壓射填充時(shí)間2.63 s、型腔填充率為82%時(shí)鑄件填充模擬結(jié)果

2 缺陷原因分析及對(duì)策

2.1 產(chǎn)品水尾氣孔原因分析與對(duì)策

2.1.1 原因分析

針對(duì)方案2 鑄件填充末端氣孔進(jìn)行模擬分析，在方案2 主澆道上把內(nèi)澆口拉寬13 mm（見圖5），以增強(qiáng)該處進(jìn)澆位置處的鋁料，讓鋁液填充更平穩(wěn)。同時(shí)加大填充末端集渣包容積。

圖5 水尾氣孔改善進(jìn)澆方案說明

模擬分析圖4 的結(jié)果表明：

1）產(chǎn)品氣孔位置為入料口最遠(yuǎn)端，這種位置容易形成冷料集聚；

2）產(chǎn)品水尾部位為不同方向鋁液交匯處，容易形成卷氣，造成內(nèi)部氣孔。雖然該鑄件采用了抽真空輔助成型技術(shù)且氣孔位置靠近排氣塊，但排氣塊間隙過小容易形成排氣不足而造成鑄件填充末端冷料匯聚與氣孔缺陷。

2.1.2 采取措施

針對(duì)鑄件冷料集聚與氣孔缺陷，解決的措施為：

1）加大鋁液流向該位置的內(nèi)澆口面積，讓鋁液填充更平穩(wěn)；

2）增加該位置集渣包的體積，使集渣包容納更多的冷料。

該兩種方法都是在模具上減料，加大內(nèi)澆口面積可以通過加寬該內(nèi)澆口來達(dá)成；加大渣包同樣可以通過加大渣包的寬度和厚度來達(dá)成。由于該兩個(gè)措施都易于達(dá)成，將這兩個(gè)方法同時(shí)采納。

2.2 電機(jī)殼大圓夾層原因分析與對(duì)策

2.2.1 原因分析

該鑄件采用方案2 制造模具，壓鑄試制出現(xiàn)了電機(jī)殼大圓位置夾層缺陷，針對(duì)該夾層分析原因如下：

1）分型線間隙不合理，披縫殘留；

2）高速開始位置選擇過晚，鋁液慢速階段時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致鋁液表層過早形成薄殼層，高速時(shí)卷入成為夾層；

圖6 分型線披縫隨產(chǎn)品帶出圖

3）鋁液成分不良。

2.2.2 采取措施

針對(duì)分型線間隙不合理，披縫殘留采取措施：

1）重新配模讓分型線緊密配合，使產(chǎn)品在分型線位置沒有披縫形成；

2）在模具分型線位置倒一個(gè)圓角（圖6 左下圓位置），開模時(shí)讓披縫不被拉斷并隨產(chǎn)品取出（如圖6 右圓所示）。方法1 成本過高暫不采用。

高速開始位置選擇過晚，鋁液慢速階段時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致鋁液表層過早形成薄殼層，高速時(shí)卷入成為夾層。該原因形成的夾層需要通過調(diào)整高速起點(diǎn)來解決。前面選擇的高速起點(diǎn)位置為550 mm，通過模擬發(fā)現(xiàn)由于該鑄件澆道流程長(zhǎng)度不一致，當(dāng)鋁液填充到所有內(nèi)澆口時(shí)，已經(jīng)有部分鋁液填充到型腔內(nèi)部，填充區(qū)域與夾層分布區(qū)域大致一致（如圖7）.對(duì)此，將高速開始位置提前并將慢速速度加大。

針對(duì)鋁液成分不良，作出下列改善：1）加強(qiáng)鋁液熔煉過程控制（除渣、除氣、除雜）；2）加料時(shí)必須清理浮渣；3）爐渣清理；4）料勺加蓋板。

2.2.3 效果跟蹤

按照上述措施優(yōu)化分型線披縫，調(diào)整高速起點(diǎn)位置和慢速速度，加強(qiáng)對(duì)鋁液成分的控制后，進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證，電機(jī)殼大圓位置夾層得到很大改善。

3 結(jié)論

圖7 夾層位置分布與慢速填充位置

通過對(duì)鋁合金電機(jī)殼殼體的壓鑄試制及改善過程，結(jié)果表明：數(shù)值模擬為鋁合金壓鑄件的前期改善提供了有力的保證，在鋁液的充型過程、氣壓、流態(tài)、交匯位置都有直觀的顯示，為改善進(jìn)澆方式提供了有力的依據(jù)；同時(shí)數(shù)值模擬為缺陷改善提供了良好的參考方向，縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間；經(jīng)過對(duì)電機(jī)殼壓鑄產(chǎn)品缺陷種類及位置的統(tǒng)計(jì)，識(shí)別出主要的缺陷，針對(duì)主要的缺陷進(jìn)行專題改善，可以集中力量改善工藝方面的問題；采用提高模具的制造精度、減少分型位置的尖角，同時(shí)提高慢速階段的速度，可以改善產(chǎn)品因?yàn)樵诹贤?、模具?nèi)部冷卻而產(chǎn)生的夾層。