原標(biāo)題：壓鑄實例！電機殼體壓鑄工藝數(shù)值模擬及厚壁缺陷預(yù)測

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)憑借其機構(gòu)簡單、操作靈活、效率高、低能耗等特點得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機作為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，其電機殼體為薄壁壓鑄件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易畸變，且要求良好的氣密性與較高的強度，因此成形困難、工藝復(fù)雜。壓鑄充型凝固過程的數(shù)值模擬可以針對在壓鑄工藝設(shè)計階段對鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位予以有效地預(yù)測，從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計，以確保鑄件的質(zhì)量、縮短試制周期和降低生產(chǎn)成本。

本研究以薄壁電機殼體零件為對象，基于某模流分析軟件對充型過程進行數(shù)值模擬，針對電動助力轉(zhuǎn)向電機殼體鑄造工藝復(fù)雜、鑄件品質(zhì)要求高等問題，應(yīng)用HyperMesh軟件及ProCAST軟件分別進行了有限元模型的建立，對電動助力轉(zhuǎn)向電機殼體鑄造工藝進行模擬分析，并預(yù)測鑄件內(nèi)部出現(xiàn)缺陷的位置及大小。對工藝方案進行試生產(chǎn)，并對生產(chǎn)的鑄件進行X射線探傷觀察。對壓鑄件后期生產(chǎn)產(chǎn)生的缺陷進行預(yù)測，為壓鑄模具設(shè)計以及鑄造工藝的優(yōu)化提供參考。

圖文結(jié)果

電動助力轉(zhuǎn)向電機的殼體見圖1。鑄件為薄壁圓筒零件，殼體零件平均壁厚為4mm，厚度分布較為均勻，最小壁厚處為2mm，最大壁厚處為13mm。鑄件后期需要對關(guān)鍵部位進行機加工及表面處理，以滿足鹽霧試驗720h無紅銹的要求。要求壓鑄件氣孔最大尺寸不超過?0.4mm、間距為8mm以上。利用UG軟件對電助力轉(zhuǎn)向電機殼體產(chǎn)品進行實體建模，確定分型面，對其澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)以及模具結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。正確選擇分型面，不僅有利于澆注系統(tǒng)的布置，保證壓鑄件開模后留在動模內(nèi)，而且有利于模具結(jié)構(gòu)的簡化，提高壓鑄件尺寸精度和表面品質(zhì)。根據(jù)壓鑄件為圓筒形薄壁殼體零件的結(jié)構(gòu)特點，選取圖2中的A-A面作為分型面。該分型面選擇在滿足壓鑄工藝要求的基礎(chǔ)上有利于設(shè)置符合鑄件結(jié)構(gòu)特點的環(huán)形澆注系統(tǒng)。選擇的澆注系統(tǒng)見圖3，金屬液在充滿環(huán)形澆道后，再沿著型芯方向充填。該系統(tǒng)具有良好的排氣條件和較短的流程，使金屬液進入型腔順暢，形成良好的充填條件。

圖1 殼體零件圖

圖2 分型面

圖3 殼體零件澆注系統(tǒng)

對于壓鑄模具而言，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計有利于控制模具溫度，使得內(nèi)部熱量能夠達到動態(tài)平衡的狀態(tài)，提高模具使用壽命，保證鑄件品質(zhì)。在動模和定模中分別設(shè)置了冷卻水道和點冷相結(jié)合的冷卻形式，可以實現(xiàn)更高和更均勻的冷卻速度。冷卻系統(tǒng)分布情況見圖4。模芯結(jié)構(gòu)見圖5。薄壁圓筒殼體的開口兩側(cè)由兩個鑲塊成形，殼體頂部鑲塊1包含型芯1和型芯2，以成形殼體兩側(cè)孔洞結(jié)構(gòu)。

圖4 冷卻水道分布

圖5 模芯結(jié)構(gòu)圖

表1 主要壓鑄工藝參數(shù)

表2 壓鑄生產(chǎn)周期(s)

鑄件在充型過程中不同時刻的流場分布情況見圖6。由于壓鑄具有高速高壓的特點，整個填充過程為0.06s，充型時間分布見圖7。可以看出，金屬液沿著環(huán)形澆道進入型腔，最后填充部位為距離澆口最遠的溢流槽，金屬液的填充整體上滿足順序填充。

圖6 鑄件充型過程流場圖

圖7 鑄件充型時間分布圖

對10個壓鑄周期的壓鑄方案進行模擬。選取分別位于鑄件、定模、動模的型腔表面的3個測溫點，見圖8，得到了壓鑄循環(huán)溫度變化曲線見圖9?？梢钥闯?，循環(huán)到第7個周期時，鑄件、定模、動模的溫度都趨于穩(wěn)定，模具和鑄件達到熱平衡。而后選取達到熱平衡的循環(huán)中的第9個循環(huán)的溫度場進行分析。分別選取了第9次循環(huán)周期中模具以及滑塊在充型開始至噴涂脫模劑前時間段中幾個時刻下的溫度變化進行分析，溫度變化情況見圖10。可見在充型階段，模具的溫度場隨著金屬液的流入，型腔上的溫度激增。在保壓凝固階段，模具的冷卻系統(tǒng)帶走大部分熱量，而后進入開模取件噴脫模劑階段，模具型腔表面溫度下降至充型前階段的均溫200℃?？梢钥吹剑桨钢械睦鋮s系統(tǒng)能夠很好地帶走模具中多余的熱量，使得模具最終達到熱平衡，顯著地改善了鑄件溫度場分布。

圖8 鑄件與模具溫度分析選點圖

圖9 溫度變化曲線圖

圖10 模具與滑塊在不同階段的溫度場

圖11 縮孔預(yù)測以及體積測量結(jié)果

用設(shè)計的模具以選定的工藝參數(shù)進行壓鑄生產(chǎn)，得到實際生產(chǎn)的鑄件見圖12，根據(jù)鑄造模擬軟件的缺陷預(yù)測結(jié)果選取鑄件掛耳及厚壁處（A、B、C和D處）進行局部X射線探傷檢測，結(jié)果見圖13?？梢钥吹?，A、B、C和D處均存在不同程度的縮孔、縮松缺陷。A處和B處有數(shù)量較多、范圍大但較為細小的缺陷存在。D處也存在相同情況的缺陷，但缺陷與缺陷間距離小，整體范圍小。C處表現(xiàn)出相連的缺陷狀況，存在明顯的縮孔缺陷。

圖12 壓鑄生產(chǎn)殼體零件

圖13 鑄件局部探傷圖

結(jié)論

（1）基于傳統(tǒng)壓鑄模具設(shè)計方法和理論對電動助力轉(zhuǎn)向電機殼體壓鑄模具進行澆排系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計?；趫A筒形厚壁不均勻類鑄件壓鑄特點，設(shè)計了合理的模具。

（2）基于ProCAST軟件對電機殼體進行了金屬液流場、模具溫度場的模擬，壓鑄件充型過程中金屬液流動平穩(wěn)，符合鑄件充型次序，經(jīng)過7次壓鑄循環(huán)后模具達到熱平衡狀態(tài)，且模具各部件的溫度波動均在合理范圍內(nèi)。

（3）對比X射線探傷結(jié)果，數(shù)值模擬預(yù)測的縮孔、縮松位置和區(qū)域與實測檢測結(jié)果一致。

本文作者：

計鑫
浙江理工大學(xué)機械工程學(xué)院
劉立君 賈志欣 李繼強 計鑫
浙大寧波理工學(xué)院機電與能源動力學(xué)院
廖大華 方杰
寧波眾鑫壓鑄模具有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴