原标题：CAE虚拟试验在汽车发动机零件过滤器品质改善中的应用

摘要：由于汽车发动机的某些铝合金压铸零件密封要求比较高，复杂而壁厚不均的内部结构经常导致该类零件的漏气，造成零件的品质比较差。以某汽车发动机里面的过滤器的品质改善为例，以减小铸件缺陷区域缩孔和气孔为目标，对修改浇注系统与冷却系统的虚拟试验设计。运用计算机模拟，对比原方案与改善方案的结果，得出解决缺陷的方案。经过现场的压铸试制与检漏的试验，改善方案对改善缩孔与气孔缺陷效果明显，零件的内部品质得到明显提高，并且保证了零件品质的稳定性。

随着节能减排要求的提高，汽车的铝合金压铸件要求功能集成化轻量化，导致了发动机内部的零件结构越来越复杂，关键零件的密封要求越来越高，出现了较多壁厚差别非常大而且密封要求高的零件。而在制造这类压铸零件时，壁厚的差异导致不能顺序凝固，常在厚壁部位出现缩孔缺陷；与其同时，壁厚的差异也导致填充的过程卷入气体，造成该区域出现气孔的缺陷。铸件常在厚壁区域出现缩孔与气孔叠加的缺陷，导致达不到密封要求，试漏验证不合格。由于缺陷区域范围宽，零件结构比较复杂，不能通过局部挤压的工艺来解决缺陷问题，只能通过改善冷却系统与浇注系统的工艺来解决缺陷。在CAE模拟软件使用之前，压铸改善措施及改善效果没有足够的数据支撑，导致技术人员基本上凭借经验和感觉去确定改善的方案，往往会耗费较多的时间和资源。

本课题以某汽车发动机的过滤器品质改善为例，以减小铸件内部缩孔和气孔为目标，对改善方案进行虚拟试验。经过计算机自动运算，结果对比，分析改善方案对零件的内部品质的改善的效果，从而确定最佳的改善方案，以提高经济效益。

1、铸件的基本介绍

图1为某汽车发动机过滤器的结构图。其零件毛坯质量为6.48 kg，材质为AlSi9Cu3。零件的基本轮廓尺寸为458.6 mm×246.9 mm×186.6 mm，平均壁厚为5 mm，其中最大壁厚为15 mm，最小壁厚为3 mm，属于结构比较复杂的零件。零件用于固定机油滤清器及冷却机油，为耐压密封件。该零件要求在0.3 MPa的压力下进行水检，泄漏量小于5 cm3/min，而且内部品质要求满足ASTM E505 2级的标准。

2、缺陷描述

根据零件的结构和技术要求，设计并制造带有完整的浇注系统以及冷却系统的压铸模具，并进行压铸试制及试漏检测，发现三处圆角位有泄漏的现象，见图2。该缺陷造成的报废率高达30.8%。为了分析泄漏的原因，将零件漏气部位分成A区与B区并进行解剖。通过观察零件的解剖图，发现在A区与B区厚料位置出现表面粗糙而且形状不规则的缩孔，见图3和图4。初步估计水检试漏的时候，高压的气体通过内部的缩孔从圆角的位置溢出。

3、缺陷改善

3.1 CAE分析缺陷的形成原因

用MAGMA SOFT对原方案进行CAE模拟，通过软件对模拟的零件模型进行剖切，发现漏气区域A区与B区热节很严重，见图5和图6。由于该区域比较厚，在凝固过程中冷却比较慢，最终在零件内部形成不规则的缩孔。另外通过对模拟填充的气压分析，发现漏气区域A区与B区的气压比较高，而且范围比较宽，形成气孔的风险比较高，见图7和图8。初步推断漏气产生的原因是高热节与高气压叠加造成。

3.2 缺陷的改善措施

根据以上分析，解决零件的漏气缺陷必须解决高热节与高气压的问题。解决热节引起缩孔的最佳方法是采用局部挤压，但该漏气区域范围大、产品形状比较复杂，不能采用该工艺。只能通过改善冷却系统的冷却效果来解决高热节问题。具体措施：把零件漏气区域的模具相应位置的两条直冷改为7根单独的点冷，每条点冷单独控制水温与流量，大幅提高该区域的冷却效率，见图9和图10。另外，为了降低缺陷位置的气压和加强增压补缩能力，把靠近缺陷位置的内浇口截断，见图11和图12。

3.3 CAE验证改善方案

把改善方案放在MAGMA SOFT中进行CAE模拟，通过对改善方案与原方案的模拟结果对比，分析得出，在凝固过程中，改善方案的A区与B区的热节区域范围缩小，热节数值也大幅降低（A区热节由原来的27.2 s降到17.1 s，B区热节由原来的30.0 s降到20.4 s），见图13和图14。改善方案的A区与B区高气压区域完全消失，见图15和图16。从CAE的模拟结果分析，改善方案对A区和B区的缩孔与气孔缺陷改善效果比较明显。

3.4 现场压铸及检漏验证

采用改善方案进行压铸试制，并对制造的零件的风险区域进行剖切，发现A区与B区的不规则的气缩孔消失，该区域材料比较致密，没有明显的气孔与缩孔存在，见图17和图18 。经过现场试漏水检测，泄漏问题得到基本解决，零件报废率由原来的30.8% 降到0.8%，缺陷问题得到基本的解决 。该零件满足客户的技术要求，并且实现了批量生产。

4、结语

描述了某汽车发动机零件过滤器的品质改善过程，利用现场的压铸工艺经验与CAE模拟结合，分析缺陷的形成原因，并制定有效的改善方案，缩短了零件的开发周期。CAE试验模拟作为一种工艺改善的工具，可以应用于零件品质的提升和改善中，能有效节省改善成本以及缩短试验周期，提高零件的品质和经济效益。

作者：

张玉龙 陈国恩 朱宇 安肇勇
广东鸿图科技股份有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2020年第40卷第12期