原標(biāo)題 浙江大學(xué)&寧波拓普：某汽車(chē)后艙一體化壓鑄件工藝分析及缺陷改善

導(dǎo)讀

汽車(chē)輕量化是應(yīng)對(duì)汽車(chē)保有量快速增長(zhǎng)帶來(lái)的能源和環(huán)境問(wèn)題的有效措施，因此得到車(chē)企的廣泛重視。汽車(chē)后艙是底盤(pán)系統(tǒng)的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)件，為懸架系統(tǒng)和車(chē)內(nèi)座艙等零部件提供安裝位置，起到良好的承載支撐作用，其品質(zhì)直接影響著整車(chē)的穩(wěn)定性、舒適性、耐久性、NVH以及抗碰撞性等性能。由于汽車(chē)后艙壓鑄件體積大、壁厚不均，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是充型末端，容易產(chǎn)生氣孔缺陷，對(duì)壓鑄件的品質(zhì)產(chǎn)生影響。提高壓鑄件品質(zhì)是保證整車(chē)安全的關(guān)鍵，研究者使用CAE技術(shù)分析了壓鑄件的缺陷，發(fā)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)是決定壓鑄件品質(zhì)的關(guān)鍵。通過(guò)修改模具結(jié)構(gòu)并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)研究了壓鑄缺陷，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化模具排溢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于減少鑄造缺陷。舒虎平發(fā)現(xiàn)優(yōu)化溢流槽結(jié)構(gòu)，能夠有效排出金屬液中的空氣，防止氣孔缺陷的產(chǎn)生。本研究以某品牌汽車(chē)后艙壓鑄件為對(duì)象，通過(guò)對(duì)其壓鑄工藝設(shè)計(jì)、壓鑄缺陷的原因分析及工藝優(yōu)化，減少壓鑄生產(chǎn)時(shí)缺陷的產(chǎn)生，探討大型一體化壓鑄件成形工藝優(yōu)化與缺陷控制方法，旨在為其應(yīng)用提供參考。

圖文結(jié)果

所研究的鋁合金汽車(chē)后艙，外形尺寸為1 591 mm×1 311 mm×777 mm，毛坯質(zhì)量為63.377 kg，屬于大型一體化壓鑄件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在許多加強(qiáng)筋，壁厚不均，主體平均壁厚僅為2.5 mm，最厚處超過(guò)10 mm，見(jiàn)圖1。由于產(chǎn)品幾何尺寸較大，熱處理難度較高，為了滿足生產(chǎn)要求，選用商用JDA1B免熱處理鋁合金。該合金強(qiáng)度高，延展性適中，焊接性良好，適用于結(jié)構(gòu)件高壓壓鑄，性能可以較好地滿足零件力學(xué)性能要求，有效提高制品良品率。

由于該鑄件為框架結(jié)構(gòu)且鑄件幾何尺寸極大，為保證壓鑄時(shí)金屬液填充流程最短，且流至型腔各部位的距離盡量相近，采用中心進(jìn)料的方式，使得填充路徑減少曲折和避免過(guò)多的迂回，實(shí)現(xiàn)鋁液沿型腔全周順序填充，控制金屬液的凝固時(shí)間，以達(dá)到提升產(chǎn)品品質(zhì)的目的。由于本研究只對(duì)U型槽部位進(jìn)行缺陷分析及其品質(zhì)優(yōu)化，因此只展示壓鑄件U型槽部位及其周邊澆注系統(tǒng)（對(duì)應(yīng)圖1方框處），見(jiàn)圖1b。結(jié)合本產(chǎn)品的壁厚及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將模具的預(yù)熱溫度設(shè)為150 ℃，金屬液的澆注溫度控制在720 ℃。澆注速度分為低速和高速兩個(gè)階段，低速設(shè)為0.2 m/s，高速設(shè)為6.5 m/s。主要生產(chǎn)工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

Flow-3D 能夠應(yīng)用于多種鑄造場(chǎng)景，特別是存在復(fù)雜金屬液流動(dòng)場(chǎng)景的大型一體化壓鑄過(guò)程，因此使用該軟件對(duì)壓鑄過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)確定的壓鑄工藝方案對(duì)U型槽區(qū)域充型過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。可知金屬液對(duì)U型槽型腔填充完畢后，多余鋁液流入U(xiǎn)型槽位置渣包內(nèi)，但在填充結(jié)束前，U型槽右側(cè)渣包已被鋁液填充完畢，多余鋁液只能流入溢流槽。由于原方案中該溢流槽與U型槽處渣包相連，這股鋁液會(huì)通過(guò)溢流槽對(duì)U型槽處的鋁液形成沖擊，并將一部分氣體卷積在此處，產(chǎn)生氣孔。

圖1 汽車(chē)后艙壓鑄件及局部結(jié)構(gòu)
1.溢流槽   2.鑄件   3.中心澆道

表1 汽車(chē)后艙壓鑄工藝參數(shù)

圖2 鑄件充型過(guò)程

U型槽區(qū)域是汽車(chē)后艙壓鑄件中起到承載支撐作用的關(guān)鍵位置，應(yīng)滿足伸長(zhǎng)率≥5%的要求。通過(guò)分析可知，該區(qū)域的卷氣現(xiàn)象嚴(yán)重，易產(chǎn)生氣孔缺陷并造成伸長(zhǎng)率不滿足生產(chǎn)要求的問(wèn)題，因此需對(duì)圖3所示位置進(jìn)行取樣并進(jìn)行拉伸測(cè)試，確認(rèn)U型槽區(qū)域的力學(xué)性能，選取3個(gè)試樣測(cè)試并取平均值。在汽車(chē)后艙壓鑄件對(duì)應(yīng)位置切下尺寸為70 mm×30 mm×4 mm試樣，使用線切割機(jī)床加工為55 mm×15 mm×4 mm的拉伸試樣，見(jiàn)圖4，并用1 200號(hào)砂紙打磨表面及棱角，確保無(wú)刀痕、無(wú)毛邊、無(wú)毛刺（圓角＜1 mm）。使用UTM5105X萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。3個(gè)樣件的伸長(zhǎng)率只有產(chǎn)品要求的76.4%、90.2%和80.0%，未達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)進(jìn)一步通過(guò)X光分析確認(rèn)缺陷類(lèi)型，結(jié)果見(jiàn)圖6，確認(rèn)該位置存在氣孔缺陷。

圖3 試樣切割位置

圖4 拉伸試樣尺寸示意圖

圖5 樣件伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果

圖6 樣件X光結(jié)果

針對(duì)該部位氣孔缺陷，主要通過(guò)優(yōu)化排溢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷進(jìn)行改善。結(jié)合鑄件充型與凝固過(guò)程的流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，已填充完的U型槽區(qū)域的渣包金屬液仍具有較高的流動(dòng)性，被相連的溢流槽中沖出的金屬液沖擊后會(huì)產(chǎn)生卷氣，影響了鑄件成形品質(zhì)。
原方案（見(jiàn)圖7）排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，U型槽處的渣包與其右側(cè)渣包通過(guò)溢流槽相連，兩處型腔的充型速度不一，導(dǎo)致后填充完成的鋁液相互串流產(chǎn)生干涉，影響充型品質(zhì)。優(yōu)化后排溢系統(tǒng)見(jiàn)圖8，將U型槽渣包與其右側(cè)渣包相連的溢流槽進(jìn)行截?cái)啵乐古c后續(xù)生產(chǎn)的Al液干涉，并為U型槽處的渣包進(jìn)行單獨(dú)引出排氣。

圖7 優(yōu)化前的排溢系統(tǒng)

圖8 優(yōu)化后的排溢系統(tǒng)

忽略除了U型槽以外的鑄件充型過(guò)程流場(chǎng)，只對(duì)充型末端U型槽及其渣包和溢流槽區(qū)域的充型過(guò)程流場(chǎng)進(jìn)行分析。圖9為優(yōu)化排溢系統(tǒng)后的壓鑄流場(chǎng)。可以看出，在鑄件的充型過(guò)程中，充型末端U型槽區(qū)域的渣包填充速度依然比與其相連的溢流槽快，后續(xù)溢流槽中仍沖出一部分金屬液至U型槽渣包區(qū)域，導(dǎo)致渣包區(qū)域出現(xiàn)一定卷氣，形成品質(zhì)較差區(qū)域。根據(jù)優(yōu)化后的方案重新改進(jìn)模具澆注系統(tǒng)，獲得的壓鑄件表面光潔，無(wú)明顯缺陷。采用X光探傷設(shè)備檢測(cè)鑄件的內(nèi)部品質(zhì)，結(jié)果見(jiàn)圖10。在鑄件充型末端U型槽內(nèi)部均無(wú)明顯的氣孔、裂紋等缺陷，鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，品質(zhì)良好，這說(shuō)明優(yōu)化方案能夠有效地提高鑄件品質(zhì)。圖11為排溢系統(tǒng)優(yōu)化后U型槽處樣件的伸長(zhǎng)率。可以看出，鑄件U型槽處的伸長(zhǎng)率得到了較大的改善。

圖9 優(yōu)化排溢系統(tǒng)后的U型槽區(qū)域的壓鑄流場(chǎng)

圖10 優(yōu)化后樣件X光結(jié)果

圖11 鑄件的伸長(zhǎng)率

結(jié)論

（1）通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)鑄件充填過(guò)程進(jìn)行模擬分析和伸長(zhǎng)率測(cè)試，并結(jié)合X光探傷，對(duì)鑄件伸長(zhǎng)率不足的原因做出分析。

（2）通過(guò)降低金屬液澆注溫度和優(yōu)化排溢系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的鑄件U型槽處的伸長(zhǎng)率得到了明顯提高，優(yōu)化后的伸長(zhǎng)率比優(yōu)化前平均提高了約30%。

作者：

盧燦雄1,2 羅維2 李繼強(qiáng)2 賈志欣2 劉立君2 吳士榮3 楊斌3 孫麗麗3 郭濤3

1.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.浙大寧波理工學(xué)院機(jī)電與能源工程分院；3. 寧波拓普汽車(chē)電子有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》