原標(biāo)題：汽車(chē)車(chē)燈支架壓鑄工藝 CAE 分析及模具設(shè)計(jì)

摘要

分析了汽車(chē)車(chē)燈支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了壓鑄工藝設(shè)計(jì)，并應(yīng)用ProCAST軟件對(duì)該鋁合金壓鑄件的充型過(guò)程、壓鑄模具熱平衡和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)缺陷產(chǎn)生的位置及原因，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)際生產(chǎn)表明，采用優(yōu)化后的模具設(shè)計(jì)方案提升了鑄件質(zhì)量。

車(chē)燈支架零件是汽車(chē)車(chē)燈的重要組成部分，需要具有足夠的強(qiáng)度來(lái)支撐車(chē)燈外殼，并且需要具有較高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，以確保其能夠牢固、精確、穩(wěn)定地固定在車(chē)身上，保證夜間行車(chē)的安全性。鋁合金因其良好的性能在車(chē)燈支架中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于車(chē)燈支架壁厚不均，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生縮孔縮松和冷隔等缺陷，不能滿足汽車(chē)的安全行駛要求。為提高某公司鋁合金車(chē)燈支架的綜合成品率，本研究針對(duì)車(chē)燈支架零件壓鑄成形工藝，基于ProCAST進(jìn)行鑄件充型凝固過(guò)程CAE分析，并針對(duì)可能出現(xiàn)的缺陷改進(jìn)壓鑄工藝和模具設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

1、車(chē)燈支架零件

該車(chē)燈支架鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料為EN AC44300鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。車(chē)燈支架零件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，總體呈板狀，板上有一些保證光學(xué)性能的紋路，還存在許多筋肋結(jié)構(gòu)。鑄件主體壁厚3 mm，但局部壁厚差距較大，筋部最小壁厚1.2 mm，最大壁厚8.4 mm，外形尺寸為190.3 mm×191.88 mm×74.22 mm，質(zhì)量613.5 g。鑄件表面要求無(wú)毛刺、劃痕，內(nèi)部無(wú)縮孔、縮松、裂紋和冷隔等鑄造缺陷，滿足支架零件的強(qiáng)度要求。

圖1 車(chē)燈支架鑄件結(jié)構(gòu)

表1 EN AC44300鋁合金化學(xué)成分 wB/%

2、壓鑄工藝及模具設(shè)計(jì)

2.1 分型面選擇

根據(jù)車(chē)燈支架鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將分型面選在鑄件投影面積最大的頂部安裝孔所在平面。

2.2 澆道設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)不僅對(duì)金屬液在模具型腔內(nèi)的流向與狀態(tài)、排氣條件、模具的壓力傳遞起到重要的控制作用，還能夠調(diào)節(jié)填充速度、填充時(shí)間和模具的溫度分布。

為了使金屬液的流程盡量短，減少不必要的熱量損耗，同時(shí)為避免金屬液直接沖擊型芯，將內(nèi)澆道位置設(shè)置在鑄件的頂部和兩端的直邊處，如圖2所示。內(nèi)澆道的截面積計(jì)算：

式中：A內(nèi) 為內(nèi)澆道截面積，c㎡ ；G為通過(guò)內(nèi)澆道的金屬液質(zhì)量，g；ρ為金屬液的密度，g/cm³；v充 為金屬液流經(jīng)內(nèi)澆道的充填速度，m/s；t為充填時(shí)間，s。取充填速度為30 m/s，充填時(shí)間為0.04 s，內(nèi)澆道壁厚1.5 mm。計(jì)算得內(nèi)澆道的截面積為253 m㎡。

橫澆道的結(jié)構(gòu)形式和尺寸主要取決于壓鑄件的形狀、大小和內(nèi)澆道的形狀、位置、方向和尺寸。橫澆道的厚度推薦值計(jì)算公式：
                                  D=（5~8）T（2）

式中：D為橫澆道厚度，mm；T為內(nèi)澆道厚度，mm。取橫澆道厚度為8 mm，為了使鑄件脫模方便，設(shè)置橫澆道的脫模斜度為15°。

選用臥式冷室壓鑄機(jī)，沖頭直徑選取70 mm，料柄厚度設(shè)置為18 mm。

2.3 溢流槽設(shè)計(jì)

在金屬液充填型腔的過(guò)程中盡量排除型腔中的氣體和前端冷污金屬液，通過(guò)設(shè)置溢流槽，改善模具的熱平衡狀態(tài)，提高壓鑄件質(zhì)量。鑄件孔洞周?chē)墙饘僖簠R流的地方，容易產(chǎn)生渦流和裹入氣體，所以將溢流槽設(shè)置在孔洞外側(cè)以及最后充填的地方，同時(shí)為了加工，溢流槽將主要設(shè)置在動(dòng)模上。該零件的澆注系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)對(duì)壓鑄產(chǎn)品的成形質(zhì)量具有決定性的影響。如圖3所示為該制品的壓鑄模具內(nèi)部冷卻水道布置方案，水道均勻分布在鑄件四周，有利于模具溫度場(chǎng)均勻。

圖3 冷卻水道分布

2.5 模具結(jié)構(gòu)

本副模具模芯長(zhǎng)寬分別為350 mm和300 mm。模芯結(jié)構(gòu)如圖4所示，定模芯包含鑲塊1，動(dòng)模芯部分包含鑲塊2，鑄件周?chē)螤钣?個(gè)滑塊成形，為了便于維修和更換，降低成本，在17個(gè)深孔部位做成可更換的長(zhǎng)銷(xiāo)型芯。

圖4 模芯結(jié)構(gòu)

3、CAE分析

3.1 前處理

采用HyperMesh軟件對(duì)鑄件進(jìn)行CAE前處理，得到高質(zhì)量面網(wǎng)格模型，再將之輸入ProCAST軟件的MeshCAST模塊，創(chuàng)建體網(wǎng)格。分別設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸：鑄件為1 mm，動(dòng)模芯、定模芯、滑塊、型芯和水道為2 mm，整體網(wǎng)格數(shù)量為1 954萬(wàn)，鑄件、模具的網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 鑄件及模具網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 初始和邊界條件

模具材料為H13鋼，壓鑄工藝參數(shù)如表2所示。模具與鑄件間的換熱系數(shù)設(shè)為20 000 W/（㎡·K），動(dòng)模與定模之間的換熱系數(shù)為1 000 W/（㎡·K），模具與空氣間傳熱系數(shù)為100 W/（㎡·K），脫模劑與模具間換熱系數(shù)設(shè)為100 W/（㎡·K）。冷卻水與模具的換熱系數(shù)為5 000 W/（㎡·K），冷卻水和脫模劑溫度均為20 ℃。

表2 壓鑄工藝參數(shù)

將壓鑄生產(chǎn)周期劃分為四個(gè)階段，其對(duì)應(yīng)時(shí)間如表3所示，成形周期為50 s。

表3 壓鑄成形周期

3.2.2 充型過(guò)程分析

圖6所示為金屬液的充型過(guò)程，整個(gè)充型時(shí)間為0.042 s。開(kāi)始時(shí)，金屬液通過(guò)內(nèi)澆道后首先填充鑄件散熱片薄板部分，再通過(guò)兩側(cè)的內(nèi)澆道從兩端進(jìn)入型腔，在中部充填完成后金屬液向頂部流動(dòng)直至充滿，最后充填距離澆道最遠(yuǎn)的溢流槽。但在金屬液充填的過(guò)程中，由于澆道的設(shè)置還存在問(wèn)題，一部分金屬液會(huì)通過(guò)中間的澆道率先填充散熱片薄板部分，再通過(guò)外側(cè)澆道進(jìn)入型腔，存在多股金屬液匯流，容易形成冷隔和裹氣，如圖6d中圈出所示。澆注系統(tǒng)基本合理，但仍有優(yōu)化改進(jìn)的空間。

圖6 車(chē)燈支架鑄件充型過(guò)程

3.2.3 模具熱平衡及溫度場(chǎng)分析

為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求，通過(guò)熱平衡分析，獲得在壓鑄過(guò)程中型腔內(nèi)溫度的分布情況和變化趨勢(shì)，有助于確定溫度控制的敏感區(qū)域，采取措施降低溫度波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模具溫度場(chǎng)的均勻性控制，并為制定合理的溫度場(chǎng)規(guī)劃提供參考。模具溫度場(chǎng)均勻不僅有利于延長(zhǎng)模具使用壽命，還可以提高鑄件質(zhì)量，所以進(jìn)行模具的熱平衡分析和溫度場(chǎng)分析是非常重要的。

在鑄件、定模和動(dòng)模的表面各選取一點(diǎn)，如圖7所示，繪制溫度-時(shí)間曲線，如圖8所示，可以看出，經(jīng)過(guò)12次的壓鑄循環(huán)，模具已經(jīng)基本達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

圖7 鑄件、定模和動(dòng)模上選取的點(diǎn)

圖8 三點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線

在模具達(dá)到熱平衡后，選取下一個(gè)循環(huán)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。如圖9所示，從左至右分別為動(dòng)模、定模和定模鑲塊在充型前、保壓凝固和噴脫模劑三個(gè)階段的溫度分布情況。在充型前，模具的溫度場(chǎng)分布比較均勻，金屬液充填時(shí)，模具的型腔表面溫度會(huì)隨著金屬液的進(jìn)入急劇升高；在保壓凝固階段，模具與冷卻水之間的換熱以及向空氣中散熱使得溫度逐漸下降，因?yàn)樾颓唤Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度場(chǎng)并不均勻，局部溫度較高，使得鑄件各部位凝固時(shí)間有一定的差異，但總體溫度場(chǎng)型腔表面的溫度梯度較小；開(kāi)模取件時(shí)，模具表面與空氣大面積接觸，同時(shí)在脫模劑的作用下，模具型腔表面溫度迅速降低，模具型腔以及鑲塊大部分的表面溫度下降到500 ℃以下。

從模具溫度場(chǎng)的分析結(jié)果來(lái)看，動(dòng)模和定模型腔表面溫度場(chǎng)分布較為均勻，但局部溫度過(guò)高，有熱節(jié)存在，仍有優(yōu)化空間。

圖9 一次循環(huán)內(nèi)動(dòng)模、定模和定模鑲塊不同時(shí)刻溫度場(chǎng)

3.2.4 缺陷分析

圖10所示為該支架壓鑄件的縮孔、縮松分布情況，可以看出，鑄件內(nèi)的縮孔、縮松集中在支架零件上散熱薄片的筋肋結(jié)構(gòu)連接處，以及孔洞周?chē)诤褫^大的位置。這些位置缺陷的產(chǎn)生，主要是因?yàn)樵谶@些區(qū)域凝固時(shí)的溫度比較高，金屬液凝固的時(shí)間更長(zhǎng)，凝固速率不均勻，在完全凝固時(shí)得不到金屬液的補(bǔ)縮，出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。此外，由于本鑄件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)不到位和散熱不均，可能會(huì)導(dǎo)致熱量聚集，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部溫度過(guò)高，從而產(chǎn)生冷隔缺陷，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。所以，本方案仍需進(jìn)一步改進(jìn)，以使生產(chǎn)的支架零件滿足所需的性能要求。

圖10 鑄件縮孔、縮松分布

4、工藝改進(jìn)與壓鑄生產(chǎn)

為了改善在鑄件兩端澆道流量不夠和一側(cè)型芯影響下流量較小，導(dǎo)致多股金屬液匯流形成冷隔和裹氣的現(xiàn)象，在兩端匯流處以及一側(cè)金屬液填充不足的位置共增加三處內(nèi)澆道，如圖11紅圈所示，使充型過(guò)程更加平穩(wěn)以及均勻；并且由于散熱薄板上無(wú)法設(shè)置溢流槽，為改善筋部排氣情況，增加頂桿，消除了冷隔，提高了鑄件的成形質(zhì)量。

圖11 工藝優(yōu)化后鑄件縮孔、縮松分布

工藝優(yōu)化后數(shù)值模擬預(yù)測(cè)鑄件縮孔、縮松分布情況如圖11所示。對(duì)鑄件做X射線無(wú)損探傷，結(jié)果如圖12所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)探傷結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，壓鑄件在最厚的部位有縮孔，平板波紋及筋部沒(méi)有超過(guò)Ф0.3 mm的氣孔，滿足質(zhì)量要求。

圖12 X射線無(wú)損探傷結(jié)果

對(duì)模具的澆排系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，實(shí)際應(yīng)用表明，該模具連續(xù)生產(chǎn)效率較高，600件/8 h，良品率達(dá)到96%，模具壽命達(dá)到15萬(wàn)模，帶澆注系統(tǒng)的壓鑄件如圖13所示。

圖13 實(shí)際壓鑄件

5、結(jié)論

設(shè)計(jì)了鋁合金車(chē)燈支架鑄件壓鑄工藝及模具，對(duì)鑄件充型過(guò)程、溫度場(chǎng)以及縮孔縮松缺陷進(jìn)行了CAE分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化了壓鑄模具設(shè)計(jì)，改進(jìn)了澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，采用優(yōu)化模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)出了滿足質(zhì)量要求的車(chē)燈支架鑄件產(chǎn)品。

作者

羅維
浙江理工大學(xué)
羅維 賈志欣 李繼強(qiáng)
浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院
盧燦雄
浙江大學(xué)

本文來(lái)自：鑄造雜志