原標題 浙江大學&寧波拓普：某汽車后艙一體化壓鑄件工藝分析及缺陷改善

導讀

汽車輕量化是應對汽車保有量快速增長帶來的能源和環(huán)境問題的有效措施，因此得到車企的廣泛重視。汽車后艙是底盤系統(tǒng)的一個重要結構件，為懸架系統(tǒng)和車內座艙等零部件提供安裝位置，起到良好的承載支撐作用，其品質直接影響著整車的穩(wěn)定性、舒適性、耐久性、NVH以及抗碰撞性等性能。由于汽車后艙壓鑄件體積大、壁厚不均，且結構復雜，在壓鑄生產過程中，尤其是充型末端，容易產生氣孔缺陷，對壓鑄件的品質產生影響。提高壓鑄件品質是保證整車安全的關鍵，研究者使用CAE技術分析了壓鑄件的缺陷，發(fā)現(xiàn)模具結構是決定壓鑄件品質的關鍵。通過修改模具結構并結合數(shù)值模擬技術研究了壓鑄缺陷，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化模具排溢結構設計有助于減少鑄造缺陷。舒虎平發(fā)現(xiàn)優(yōu)化溢流槽結構，能夠有效排出金屬液中的空氣，防止氣孔缺陷的產生。本研究以某品牌汽車后艙壓鑄件為對象，通過對其壓鑄工藝設計、壓鑄缺陷的原因分析及工藝優(yōu)化，減少壓鑄生產時缺陷的產生，探討大型一體化壓鑄件成形工藝優(yōu)化與缺陷控制方法，旨在為其應用提供參考。

圖文結果

所研究的鋁合金汽車后艙，外形尺寸為1 591 mm×1 311 mm×777 mm，毛坯質量為63.377 kg，屬于大型一體化壓鑄件，其結構復雜，存在許多加強筋，壁厚不均，主體平均壁厚僅為2.5 mm，最厚處超過10 mm，見圖1。由于產品幾何尺寸較大，熱處理難度較高，為了滿足生產要求，選用商用JDA1B免熱處理鋁合金。該合金強度高，延展性適中，焊接性良好，適用于結構件高壓壓鑄，性能可以較好地滿足零件力學性能要求，有效提高制品良品率。

由于該鑄件為框架結構且鑄件幾何尺寸極大，為保證壓鑄時金屬液填充流程最短，且流至型腔各部位的距離盡量相近，采用中心進料的方式，使得填充路徑減少曲折和避免過多的迂回，實現(xiàn)鋁液沿型腔全周順序填充，控制金屬液的凝固時間，以達到提升產品品質的目的。由于本研究只對U型槽部位進行缺陷分析及其品質優(yōu)化，因此只展示壓鑄件U型槽部位及其周邊澆注系統(tǒng)（對應圖1方框處），見圖1b。結合本產品的壁厚及結構特點，將模具的預熱溫度設為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階段，低速設為0.2 m/s，高速設為6.5 m/s。主要生產工藝參數(shù)見表1。

Flow-3D 能夠應用于多種鑄造場景，特別是存在復雜金屬液流動場景的大型一體化壓鑄過程，因此使用該軟件對壓鑄過程進行數(shù)值模擬分析。根據(jù)確定的壓鑄工藝方案對U型槽區(qū)域充型過程進行分析，結果見圖2。可知金屬液對U型槽型腔填充完畢后，多余鋁液流入U型槽位置渣包內，但在填充結束前，U型槽右側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，這股鋁液會通過溢流槽對U型槽處的鋁液形成沖擊，并將一部分氣體卷積在此處，產生氣孔。

圖1 汽車后艙壓鑄件及局部結構
1.溢流槽   2.鑄件   3.中心澆道

表1 汽車后艙壓鑄工藝參數(shù)

圖2 鑄件充型過程

U型槽區(qū)域是汽車后艙壓鑄件中起到承載支撐作用的關鍵位置，應滿足伸長率≥5%的要求。通過分析可知，該區(qū)域的卷氣現(xiàn)象嚴重，易產生氣孔缺陷并造成伸長率不滿足生產要求的問題，因此需對圖3所示位置進行取樣并進行拉伸測試，確認U型槽區(qū)域的力學性能，選取3個試樣測試并取平均值。在汽車后艙壓鑄件對應位置切下尺寸為70 mm×30 mm×4 mm試樣，使用線切割機床加工為55 mm×15 mm×4 mm的拉伸試樣，見圖4，并用1 200號砂紙打磨表面及棱角，確保無刀痕、無毛邊、無毛刺（圓角＜1 mm）。使用UTM5105X萬能試驗機按照GB/T 228.1-2010標準進行拉伸試驗，結果見圖5。3個樣件的伸長率只有產品要求的76.4%、90.2%和80.0%，未達到合格標準，同時進一步通過X光分析確認缺陷類型，結果見圖6，確認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 樣件伸長率測試結果

圖6 樣件X光結果

針對該部位氣孔缺陷，主要通過優(yōu)化排溢系統(tǒng)實現(xiàn)對缺陷進行改善。結合鑄件充型與凝固過程的流場分析發(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性，被相連的溢流槽中沖出的金屬液沖擊后會產生卷氣，影響了鑄件成形品質。
原方案（見圖7）排溢系統(tǒng)設計不合理，U型槽處的渣包與其右側渣包通過溢流槽相連，兩處型腔的充型速度不一，導致后填充完成的鋁液相互串流產生干涉，影響充型品質。優(yōu)化后排溢系統(tǒng)見圖8，將U型槽渣包與其右側渣包相連的溢流槽進行截斷，防止與后續(xù)生產的Al液干涉，并為U型槽處的渣包進行單獨引出排氣。

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程流場，只對充型末端U型槽及其渣包和溢流槽區(qū)域的充型過程流場進行分析。圖9為優(yōu)化排溢系統(tǒng)后的壓鑄流場。可以看出，在鑄件的充型過程中，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，導致渣包區(qū)域出現(xiàn)一定卷氣，形成品質較差區(qū)域。根據(jù)優(yōu)化后的方案重新改進模具澆注系統(tǒng)，獲得的壓鑄件表面光潔，無明顯缺陷。采用X光探傷設備檢測鑄件的內部品質，結果見圖10。在鑄件充型末端U型槽內部均無明顯的氣孔、裂紋等缺陷，鑄件內部結構致密，品質良好，這說明優(yōu)化方案能夠有效地提高鑄件品質。圖11為排溢系統(tǒng)優(yōu)化后U型槽處樣件的伸長率。可以看出，鑄件U型槽處的伸長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

圖10 優(yōu)化后樣件X光結果

圖11 鑄件的伸長率

結論

（1）通過計算機仿真軟件對鑄件充填過程進行模擬分析和伸長率測試，并結合X光探傷，對鑄件伸長率不足的原因做出分析。

（2）通過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型槽處的伸長率得到了明顯提高，優(yōu)化后的伸長率比優(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.浙江大學機械工程學院；2.浙大寧波理工學院機電與能源工程分院；3. 寧波拓普汽車電子有限公司

本文轉載自：《特種鑄造及有色合金》