原标题:基于CAE分析的铝合金变速箱支架压铸工艺设计及优化

摘要:针对汽车变速箱支架结构设计了压铸工艺，使用数值模拟软件对初始方案进行模拟分析。结果表明，铸件充型平稳，排气顺畅，卷气及夹渣都已排入渣包内。但是对试制产品进行CT检测，发现部分区域气孔超过规定要求。结合压铸实际情况，修改相关参数再次进行模拟分析，发现铸件左侧出现铝液对铸件包卷的倾向，右侧区域中铝液流速过快，将渣包进料位置封堵。因此,对初始方案调整左侧流道位置，封堵最右侧流道，加深集渣包。根据优化工艺进行实际生产，铸件气孔大幅减少。

汽车的轻量化，是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。研究证明，汽车质量每下降10%，燃料消耗会降低6%~8%。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化得到重视。采用铝合金零件将很大程度上减轻汽车质量，通过前期优化产品结构，采用压铸生产能明显减小产品壁厚，并保持结构强度。而且压铸接近近净成形，成本显著降低，生产效率大大提高。但由于其高速、高压的充型模式，在压铸充填时极易卷入气体，致使压铸件常有气孔及氧化夹杂存在。

在汽车轻量化设计中，悬置及支撑系统零件因其壁厚较厚、质量大等原因，成为汽车轻量化中重要优化部件。本课题以某汽车变速箱支架为对象，结合CAE模拟分析，优化压铸模具设计，解决生产过程中遇到的问题，旨在为同类产品生产提供参考。

1.产品介绍

某汽车变速箱支架的三维结构见图1，最大轮廓尺寸为250 mm×87 mm×98 mm，绝大部分壁厚为5 mm，结构比较复杂，毛坯质量为855g，采用5 000kN压铸机进行生产。压铸件孔隙率按照标准VW50093，并且在静载荷8 kN压力下承压72 h，在模拟装配环境载荷20 kN条件下冲击36次，要求无裂纹、断裂、塑性变形。合金材质为AlSi12Cu1Fe，化学成分见表1。

图1 变速箱支架三维造型示意图

表1 AlSi12Cu1Fe铝合金化学成分 wb/%

2.压铸工艺设计

2.1 浇排系统设计

浇排系统能保证铸件充填时各区域合理配置，排气顺畅，尽可能减少气体的卷入。浇注系统采用多段流道进料，设置于铸件长边位置，以减少铝液填充时间，缩短铝液流程，避免压铸时卷气、冷隔、熔接痕等缺陷。该铸件壁厚为5 mm，内浇口速度为28~35 m/s，内浇口截面积为492 mm2，取直径为Ф80 mm的活塞，内浇口截面积与活塞截面积为1:10.21。根据伯努利原理可得，当内浇口流速为35 m/s时，活塞速度为2.7 m/s。

排溢系统采用渣包与大流量排气，通过渣包后面排气板的延伸，提高排气面积，从而增加排气量，渣包有助于将压铸时混进铝液中的脱模剂、润滑颗粒、与空气接触的氧化铝液、流动前端所卷入的气孔从型腔排出，存放于渣包内，保证铸件的品质。浇排系统设计见图2，表2为浇排系统工艺参数。

图2 变速箱支架浇排系统

表2 浇排系统数据

2.2 冷却系统设计

在铸件壁厚区域设置冷却水，确保壁厚区域冷却效果，避免壁厚区域出现缩松及缩孔。冷却系统设计时受顶针及型芯位置的影响，难以完全顾及铸件所有壁厚区域，但仍要尽可能兼顾模具热平衡与铸件壁厚区域的冷却。冷却系统见图3。

图3 冷却系统设计图

上模水路排布采用直通冷却加水井结构。水路1作用为降低模具浇口侧温度，保证模具热平衡；水路2在降低浇口侧温度时，冷却铸件侧面，避免侧面开模时出现拉伤、冲料等压铸缺陷；水路3起冷却铸件的作用，由于铸件有形状高低，所以增加冷却水井，确保铸件冷却均匀。

下模水路排布采用直通冷却加水井结构。水路1作用为冷却料饼区域，此区域为整个铸型中最厚的区域，凝固最晚，增加冷却可缩短此区域冷却时间，提高生产效率；水路2作用为降低模具浇口侧温度，保证模具热平衡，水路3在降低浇口侧温度的同时冷却铸件内部，减轻进浇口对模具的冲蚀，同时避免铸件在此区域出现的拉伤、冲料等压铸缺陷；因为铸件有形状高低，所以增加冷却水井，使水路跟随铸件形状进行冷却，确保铸件冷却均匀。

2.3 模具设计

根据浇排系统与冷却系统设计模具见图4。

图4 模具设计图

3.数值模拟与缺陷分析

3.1 模拟参数设置

采用CAE软件对所设计压铸工艺方案进行充型凝固过程模拟。根据工艺设计，浇注温度为660 ℃，活塞直径为80 mm，压射速度低速为0.5 m/s，高速为2.7 m/s。模具材料为SKD61钢，预热温度为120 ℃，工作温度为200 ℃。冷却介质设置为水，控制进口水温为25 ℃。

3.2 充型过程分析

铸件充型过程反面示意图见图5。可以看出，铸件充型0.2 070 s时，金属液通过内浇口呈发散状进入型腔，见图5a；铸件充型0.2 117 s时，铸件的下端型腔基本填充完成，金属液往上继续填充型腔，见图5b；铸件充型0.2 187 s时，铸件的中部型腔几乎填充完成，金属液开始充填两侧型腔，两侧充型过程基本保持同步，有少量金属液流向溢流槽，见图5c；铸件充型0.2 327 s时，铸件几乎填充完成，金属液流向溢流槽，见图5d；铸件充型0.2 3500 s时，充型完毕。充型分析显示，当充型结束时，型腔完全充满，没有出现浇不足的现象。

图5 铸件充型过程图

粒子追踪见图7，可以看出，金属液在填充型腔的绝大部分过程中，粒子弯折的情况较少，大部分以流畅的曲线向前充型，充型平稳，卷气情况较少。

图6 铸件卷气顺序示意图

图7 粒子追踪图

3.3 生产缺陷分析

3.3.1 试制缺陷介绍

按照设计制造模具后进行试模，后续机加工及抛丸后对压铸件进行检验，尺寸确认合格，表面无缺陷。再使用CT设备进行内部孔隙率检测时，部分区域气孔超过规定要求，气孔主要位置见图8。

图8 零件气孔区域位置图

3.3.2 模拟分析缺陷的形成原因

铸件各区域排气良好，气孔出现部位位于浇口远端，可能是铝液中卷气夹杂没有彻底排出导致的，结合现场压铸实际情况，采用现场压铸生产参数再次进行模拟分析，模拟分析与实际缺陷对比见图9。可以看出，铸件左侧出现铝液包卷的趋势；铸件中间区域较慢，有裹气的风险；铸件右侧区域中铝液流速过快，直接将渣包进料位置封堵，使渣包无法再进行排气，缺陷位置与实际试产情况吻合。

图9 模拟分析与实际缺陷对比

4.工艺优化

4.1 工艺优化措施

对浇排系统进行调整，最左侧流道向左加宽5 mm，弥补零件左侧铝液填充不足；中部区域的集渣包加深，提高排渣能力；对最右侧流道进行封堵，作为集渣包使用，减缓右侧区域填充速度。工艺优化方案见图10。

图10 工艺优化方案图

4.2 工艺优化验证

调整后再次采用CAE软件进行模拟，模拟结果见图11。可以看出，调整左侧流道后，铸件左侧缺料问题得到解决；取消右侧流道后，右侧充型延迟，右侧区域气体可通过渣包排出。

图11 工艺优化模拟结果

经过对工艺修改，产品再次试模，经CT检验后合格。目前已通过载荷实验，产品正常批量生产。

5.结论
（1）用数值模拟技术辅助设计铝合金压铸件工艺，通过分析充型结果的流动、卷气顺序及粒子追踪，确定了压铸工艺设计的可行性。
（2）CT检测发现试生产铸件内部依然存在不符合要求的气孔，结合模流分析的气孔位置的金属液流动细节，进行优化：调整左侧流道位置，封堵最右侧流道，加深集渣包。重新进行模拟，缺陷分析对比得到最终的优化工艺。
（3）经生产验证，压铸件产品通过载荷试験，最终生产出合格的产品。

作者

徐善状
江苏信息职业技术学院智能工程学院
高健
宁波市北仑龙诚模具制造有限公司
本文来自:《特种铸造及有色合金》杂志