 原標題:基于CAE分析的鋁合金變速箱支架壓鑄工藝設計及優化 摘要:針對汽車變速箱支架結構設計了壓鑄工藝，使用數值模擬軟件對初始方案進行模擬分析。結果表明，鑄件充型平穩，排氣順暢，卷氣及夾渣都已排入渣包內。但是對試制產品進行CT檢測，發現部分區域氣孔超過規定要求。結合壓鑄實際情況，修改相關參數再次進行模擬分析，發現鑄件左側出現鋁液對鑄件包卷的傾向，右側區域中鋁液流速過快，將渣包進料位置封堵。因此,對初始方案調整左側流道位置，封堵最右側流道，加深集渣包。根據優化工藝進行實際生產，鑄件氣孔大幅減少。 汽車的輕量化，是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。研究證明，汽車質量每下降10%，燃料消耗會降低6%~8%。由于環保和節能的需要，汽車的輕量化得到重視。采用鋁合金零件將很大程度上減輕汽車質量，通過前期優化產品結構，采用壓鑄生產能明顯減小產品壁厚，并保持結構強度。而且壓鑄接近近凈成形，成本顯著降低，生產效率大大提高。但由于其高速、高壓的充型模式，在壓鑄充填時極易卷入氣體，致使壓鑄件常有氣孔及氧化夾雜存在。 在汽車輕量化設計中，懸置及支撐系統零件因其壁厚較厚、質量大等原因，成為汽車輕量化中重要優化部件。本課題以某汽車變速箱支架為對象，結合CAE模擬分析，優化壓鑄模具設計，解決生產過程中遇到的問題，旨在為同類產品生產提供參考。 1.產品介紹 某汽車變速箱支架的三維結構見圖1，最大輪廓尺寸為250 mm×87 mm×98 mm，絕大部分壁厚為5 mm，結構比較復雜，毛坯質量為855g，采用5 000kN壓鑄機進行生產。壓鑄件孔隙率按照標準VW50093，并且在靜載荷8 kN壓力下承壓72 h，在模擬裝配環境載荷20 kN條件下沖擊36次，要求無裂紋、斷裂、塑性變形。合金材質為AlSi12Cu1Fe，化學成分見表1。
圖1 變速箱支架三維造型示意圖
表1 AlSi12Cu1Fe鋁合金化學成分 wb/% 2.壓鑄工藝設計 2.1 澆排系統設計 澆排系統能保證鑄件充填時各區域合理配置，排氣順暢，盡可能減少氣體的卷入。澆注系統采用多段流道進料，設置于鑄件長邊位置，以減少鋁液填充時間，縮短鋁液流程，避免壓鑄時卷氣、冷隔、熔接痕等缺陷。該鑄件壁厚為5 mm，內澆口速度為28~35 m/s，內澆口截面積為492 mm2，取直徑為Ф80 mm的活塞，內澆口截面積與活塞截面積為1:10.21。根據伯努利原理可得，當內澆口流速為35 m/s時，活塞速度為2.7 m/s。 排溢系統采用渣包與大流量排氣，通過渣包后面排氣板的延伸，提高排氣面積，從而增加排氣量，渣包有助于將壓鑄時混進鋁液中的脫模劑、潤滑顆粒、與空氣接觸的氧化鋁液、流動前端所卷入的氣孔從型腔排出，存放于渣包內，保證鑄件的品質。澆排系統設計見圖2，表2為澆排系統工藝參數。
圖2 變速箱支架澆排系統
表2 澆排系統數據 2.2 冷卻系統設計 在鑄件壁厚區域設置冷卻水，確保壁厚區域冷卻效果，避免壁厚區域出現縮松及縮孔。冷卻系統設計時受頂針及型芯位置的影響，難以完全顧及鑄件所有壁厚區域，但仍要盡可能兼顧模具熱平衡與鑄件壁厚區域的冷卻。冷卻系統見圖3。
圖3 冷卻系統設計圖 上模水路排布采用直通冷卻加水井結構。水路1作用為降低模具澆口側溫度，保證模具熱平衡；水路2在降低澆口側溫度時，冷卻鑄件側面，避免側面開模時出現拉傷、沖料等壓鑄缺陷；水路3起冷卻鑄件的作用，由于鑄件有形狀高低，所以增加冷卻水井，確保鑄件冷卻均勻。 下模水路排布采用直通冷卻加水井結構。水路1作用為冷卻料餅區域，此區域為整個鑄型中最厚的區域，凝固最晚，增加冷卻可縮短此區域冷卻時間，提高生產效率；水路2作用為降低模具澆口側溫度，保證模具熱平衡，水路3在降低澆口側溫度的同時冷卻鑄件內部，減輕進澆口對模具的沖蝕，同時避免鑄件在此區域出現的拉傷、沖料等壓鑄缺陷；因為鑄件有形狀高低，所以增加冷卻水井，使水路跟隨鑄件形狀進行冷卻，確保鑄件冷卻均勻。 2.3 模具設計 根據澆排系統與冷卻系統設計模具見圖4。
圖4 模具設計圖 3.數值模擬與缺陷分析 3.1 模擬參數設置 采用CAE軟件對所設計壓鑄工藝方案進行充型凝固過程模擬。根據工藝設計，澆注溫度為660 ℃，活塞直徑為80 mm，壓射速度低速為0.5 m/s，高速為2.7 m/s。模具材料為SKD61鋼，預熱溫度為120 ℃，工作溫度為200 ℃。冷卻介質設置為水，控制進口水溫為25 ℃。 3.2 充型過程分析 鑄件充型過程反面示意圖見圖5。可以看出，鑄件充型0.2 070 s時，金屬液通過內澆口呈發散狀進入型腔，見圖5a；鑄件充型0.2 117 s時，鑄件的下端型腔基本填充完成，金屬液往上繼續填充型腔，見圖5b；鑄件充型0.2 187 s時，鑄件的中部型腔幾乎填充完成，金屬液開始充填兩側型腔，兩側充型過程基本保持同步，有少量金屬液流向溢流槽，見圖5c；鑄件充型0.2 327 s時，鑄件幾乎填充完成，金屬液流向溢流槽，見圖5d；鑄件充型0.2 3500 s時，充型完畢。充型分析顯示，當充型結束時，型腔完全充滿，沒有出現澆不足的現象。
圖5 鑄件充型過程圖 粒子追蹤見圖7，可以看出，金屬液在填充型腔的絕大部分過程中，粒子彎折的情況較少，大部分以流暢的曲線向前充型，充型平穩，卷氣情況較少。
圖6 鑄件卷氣順序示意圖
圖7 粒子追蹤圖 3.3 生產缺陷分析 3.3.1 試制缺陷介紹 按照設計制造模具后進行試模，后續機加工及拋丸后對壓鑄件進行檢驗，尺寸確認合格，表面無缺陷。再使用CT設備進行內部孔隙率檢測時，部分區域氣孔超過規定要求，氣孔主要位置見圖8。
圖8 零件氣孔區域位置圖 3.3.2 模擬分析缺陷的形成原因 鑄件各區域排氣良好，氣孔出現部位位于澆口遠端，可能是鋁液中卷氣夾雜沒有徹底排出導致的，結合現場壓鑄實際情況，采用現場壓鑄生產參數再次進行模擬分析，模擬分析與實際缺陷對比見圖9。可以看出，鑄件左側出現鋁液包卷的趨勢；鑄件中間區域較慢，有裹氣的風險；鑄件右側區域中鋁液流速過快，直接將渣包進料位置封堵，使渣包無法再進行排氣，缺陷位置與實際試產情況吻合。
圖9 模擬分析與實際缺陷對比 4.工藝優化 4.1 工藝優化措施 對澆排系統進行調整，最左側流道向左加寬5 mm，彌補零件左側鋁液填充不足；中部區域的集渣包加深，提高排渣能力；對最右側流道進行封堵，作為集渣包使用，減緩右側區域填充速度。工藝優化方案見圖10。
圖10 工藝優化方案圖 4.2 工藝優化驗證 調整后再次采用CAE軟件進行模擬，模擬結果見圖11。可以看出，調整左側流道后，鑄件左側缺料問題得到解決；取消右側流道后，右側充型延遲，右側區域氣體可通過渣包排出。
圖11 工藝優化模擬結果 經過對工藝修改，產品再次試模，經CT檢驗后合格。目前已通過載荷實驗，產品正常批量生產。
5.結論
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