原标题：压铸实例！电机壳体压铸工艺数值模拟及厚壁缺陷预测

电动助力转向系统凭借其机构简单、操作灵活、效率高、低能耗等特点得到广泛应用。转向驱动电机作为电动助力转向系统的重要组成部分，其电机壳体为薄壁压铸件，结构复杂，易畸变，且要求良好的气密性与较高的强度，因此成形困难、工艺复杂。压铸充型凝固过程的数值模拟可以针对在压铸工艺设计阶段对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位予以有效地预测，从而优化铸造工艺设计，以确保铸件的质量、缩短试制周期和降低生产成本。

本研究以薄壁电机壳体零件为对象，基于某模流分析软件对充型过程进行数值模拟，针对电动助力转向电机壳体铸造工艺复杂、铸件品质要求高等问题，应用HyperMesh软件及ProCAST软件分别进行了有限元模型的建立，对电动助力转向电机壳体铸造工艺进行模拟分析，并预测铸件内部出现缺陷的位置及大小。对工艺方案进行试生产，并对生产的铸件进行X射线探伤观察。对压铸件后期生产产生的缺陷进行预测，为压铸模具设计以及铸造工艺的优化提供参考。

图文结果

电动助力转向电机的壳体见图1。铸件为薄壁圆筒零件，壳体零件平均壁厚为4mm，厚度分布较为均匀，最小壁厚处为2mm，最大壁厚处为13mm。铸件后期需要对关键部位进行机加工及表面处理，以满足盐雾试验720h无红锈的要求。要求压铸件气孔最大尺寸不超过ϕ0.4mm、间距为8mm以上。利用UG软件对电助力转向电机壳体产品进行实体建模，确定分型面，对其浇注系统、冷却系统、溢流系统以及模具结构进行设计。正确选择分型面，不仅有利于浇注系统的布置，保证压铸件开模后留在动模内，而且有利于模具结构的简化，提高压铸件尺寸精度和表面品质。根据压铸件为圆筒形薄壁壳体零件的结构特点，选取图2中的A-A面作为分型面。该分型面选择在满足压铸工艺要求的基础上有利于设置符合铸件结构特点的环形浇注系统。选择的浇注系统见图3，金属液在充满环形浇道后，再沿着型芯方向充填。该系统具有良好的排气条件和较短的流程，使金属液进入型腔顺畅，形成良好的充填条件。

图1 壳体零件图

图2 分型面

图3 壳体零件浇注系统

对于压铸模具而言，冷却系统的设计有利于控制模具温度，使得内部热量能够达到动态平衡的状态，提高模具使用寿命，保证铸件品质。在动模和定模中分别设置了冷却水道和点冷相结合的冷却形式，可以实现更高和更均匀的冷却速度。冷却系统分布情况见图4。模芯结构见图5。薄壁圆筒壳体的开口两侧由两个镶块成形，壳体顶部镶块1包含型芯1和型芯2，以成形壳体两侧孔洞结构。

图4 冷却水道分布

图5 模芯结构图

表1 主要压铸工艺参数

表2 压铸生产周期(s)

铸件在充型过程中不同时刻的流场分布情况见图6。由于压铸具有高速高压的特点，整个填充过程为0.06s，充型时间分布见图7。可以看出，金属液沿着环形浇道进入型腔，最后填充部位为距离浇口最远的溢流槽，金属液的填充整体上满足顺序填充。

图6 铸件充型过程流场图

图7 铸件充型时间分布图

对10个压铸周期的压铸方案进行模拟。选取分别位于铸件、定模、动模的型腔表面的3个测温点，见图8，得到了压铸循环温度变化曲线见图9。可以看出，循环到第7个周期时，铸件、定模、动模的温度都趋于稳定，模具和铸件达到热平衡。而后选取达到热平衡的循环中的第9个循环的温度场进行分析。分别选取了第9次循环周期中模具以及滑块在充型开始至喷涂脱模剂前时间段中几个时刻下的温度变化进行分析，温度变化情况见图10。可见在充型阶段，模具的温度场随着金属液的流入，型腔上的温度激增。在保压凝固阶段，模具的冷却系统带走大部分热量，而后进入开模取件喷脱模剂阶段，模具型腔表面温度下降至充型前阶段的均温200℃。可以看到，方案中的冷却系统能够很好地带走模具中多余的热量，使得模具最终达到热平衡，显著地改善了铸件温度场分布。

图8 铸件与模具温度分析选点图

图9 温度变化曲线图

图10 模具与滑块在不同阶段的温度场

图11 缩孔预测以及体积测量结果

用设计的模具以选定的工艺参数进行压铸生产，得到实际生产的铸件见图12，根据铸造模拟软件的缺陷预测结果选取铸件挂耳及厚壁处（A、B、C和D处）进行局部X射线探伤检测，结果见图13。可以看到，A、B、C和D处均存在不同程度的缩孔、缩松缺陷。A处和B处有数量较多、范围大但较为细小的缺陷存在。D处也存在相同情况的缺陷，但缺陷与缺陷间距离小，整体范围小。C处表现出相连的缺陷状况，存在明显的缩孔缺陷。

图12 压铸生产壳体零件

图13 铸件局部探伤图

结论

（1）基于传统压铸模具设计方法和理论对电动助力转向电机壳体压铸模具进行浇排系统、冷却系统、模具结构的设计。基于圆筒形厚壁不均匀类铸件压铸特点，设计了合理的模具。

（2）基于ProCAST软件对电机壳体进行了金属液流场、模具温度场的模拟，压铸件充型过程中金属液流动平稳，符合铸件充型次序，经过7次压铸循环后模具达到热平衡状态，且模具各部件的温度波动均在合理范围内。

（3）对比X射线探伤结果，数值模拟预测的缩孔、缩松位置和区域与实测检测结果一致。

本文作者：

计鑫
浙江理工大学机械工程学院
刘立君 贾志欣 李继强 计鑫
浙大宁波理工学院机电与能源动力学院
廖大华 方杰
宁波众鑫压铸模具有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴