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关键词：壳体；压铸工艺；数值模拟；工艺优化
张 国 强 赵 占 西 1, 勾 健 2，王秋雨1,李湖涛3
(1.河海大学机电工程学院，江苏常州213022; 2.芜湖美的厨卫电器制造有限公司，安徽芜湖241000;3.常州市永顺模具厂，江苏常州213022 )
压铸是一种自动化程度较高，且能大量生产形状复杂零件的铸造技术[1] , 其生产出的铸件具有致密性良好、精度较高、加工余量少、力学性能优良等优点，在汽车、机械装备等领域中得到了广泛应用[2-3]。而机壳壳体是汽车零部件安装的重要载体 ，其壁厚较薄，但对其力学性能、精度、气密性要求较高，且需要大批量生产，因此压力铸造成为制造壳体最好的选择。在本研究中，通过对铸件的结构进行分析，设计了铸件的浇注系统，并利用PmCAST软件对其进行模拟，通过分析模拟结果，对工艺进行优化，消除其存在的缩孔、缩松等缺陷问题，从而得到了满足壳体技术要求的压铸工艺。
1 壳体结构
研究的铸件为某公司生产的用于汽车零部件的机壳壳体，其三维造型示意图如图1 所示，其中深色区域为铸件的加工面，加工余量为0.5 m m , 铸件的轮廓尺寸为103 mm x 98 mm x 89 m m , 铸件体积为234 108 m n r', 质量为632 g, 最厚壁5.5 mm,最薄壁2.5 m m , 平均壁厚3 mm 。 铸件材料为具有较好流动性、良好气密性、高耐磨性的Al-Si-Cu系合金YL113,其合金成分如表1[4]所示。铸件要求表面光洁，起模斜度不超过1.5° , 铸件收缩率为0.6%,内部无缩孔、缩松等缺陷。
2 压铸工艺设计
在模具设计中，压铸工艺最为重要，直接影响铸件的质量、生产成本、模具制造难易程度等。压铸工艺包括分型面的选择、浇注系统的设计、溢流和排气系统的设计。
2.1 分型面的选择机
壳壳体形状比较复杂，需要设置抽芯机构，故模具制造较难，因此铸件采用一模一腔的铸造方式。根据分型面选择的最基本原则选择铸件投影面积的最大区域。
本铸件有两种分型面设置方法，如图2所示，采用分型面a, 只需设置一个抽芯机构，但铸件型腔较深，型芯包紧力较大，铸件不易脱出；其次铸件壁较薄，不易设置推出机构。采用分型面b, 铸件需设置多个抽芯机构，模具制造复杂，但是铸件上下基本对称，铸件充型平稳，其次方便设置推出机构，有利于溢流槽和排气槽的设置，更能满足压铸工艺要求，S文本铸件选择分型面b。
2 . 2 浇注系统的设计
浇注系统设计方案的三维示意图如图3所 示 。
2.2.1内浇口设计
内浇 口 可 分 为 ：扁 平 内浇口、端 面 侧 浇 口 、中心内浇口、环形内浇口等[6]。本壳体属于圆筒类，为了避免金属液直接冲击型芯和粘附现象的产生，两种浇注系统都采用环形内浇口切向进料，即在铸件一旁设置环 形 浇 道 ，金属液充满环形浇道后进入型腔，这样金属液就可以在环形圆周上得到大致相同的速度，使金属 液 充 型 平 稳 ，型腔内的气体容易排出。其次也可以在内浇口上设置推杆避免在铸件上有推杆的痕迹。内浇口的截面积按公式（1 ) 计 算 。
式 中 ： 为 内 浇 口 的 截 面 积 ， mm2; V 为压铸件与溢流槽的体积之和， mm 3; r 为内浇口处金属液的充填速度 ， m / s ; z 为型腔的充型时间， s 。对于铝合金来讲，内浇口的速度一般取 20- 60 m/s, 平均壁厚为 3 mm 的铸件充型时间为 0.028 - 0.04 S[5], 内浇口壁厚为 1.5-2.5 mm。 取充填速度为 40 m/s, 充型时间 0.03 s , 内淺口壁厚 2 mm。 计算得内淺口的截面积Ag=223.6 mm2,内浇口宽度为 111.8 mm, 设置四个方向进料，平均每个内浇口宽度为 28 mm。 设置的环形浇道外径 106 mm, 内径 86 mm , 厚度 20 mm。
2.2.2横浇道设计
横浇道是金属液从直浇道到内浇口的过渡通道，对于不同的压铸件横浇道有不同的结构形式，而对于圆筒类形 状 的 铸 件 ，采取圆弧收缩式结构。为了防止金属液在流动时产生负压，横浇道的截面积应逐渐减小 。本研究采用卧式冷室压铸机，其横浇道的深度按公 式 （2 ) 计 算 。
取/)=10 mm ，由于横浇道切向进料，横浇道最小宽度为20 mm , 为了便于铸件更好脱模，设置横浇道的起模斜度为15。 。
2.2.3直浇道设计
直浇道是金属液从压铸机进入型腔的首要通道，其大小与压铸机的压室直径有关，本研究压室直径选取60 mm , 余料厚度设置为10 mm , 起模斜度为10°。
2 . 3 溢流槽的设计
根 据 设 计 原 则 ，溢流槽一般设置在金属液汇合、型腔附近难以排气的地方【5】。本铸件上下分型，故在分型面处会有金属液汇合，因此对于两种浇注系统都需要在分型面处设置溢流槽；其次为了防止环形浇道的金 属 液发生回流，两种浇注系统都需在环形浇道两边各设置一个溢流槽。而由图2 b 可 知 ，铸件正前方壁厚较 厚 ，为充分排除气体和夹杂，故对浇注系统 I ,在 左右两侧各设置1个 溢 流 槽 。浇注系统 I 、Ⅱ溢流槽三维示意图分别如图4 a 、 b 所 示 。
3 数值模拟与优化
将三维造型导入模拟软件 ProCAST 中进行网格划分 ，设置铸件网格单元尺寸为2 mm , 模具网格单元尺寸为10 mm 。
3 . 1 工艺参数的设置
设 置 模 拟 工 艺 参 数 ： （1 ) 铸件材料为欧洲标准的 ENAC -41600 ( Y L 113 ) ，模具材料为 H 13; ( 2 ) 金属液浇注温度推荐值如表2所示 ，本研究取620℃, 模具预热温度为2 2 0℃[5]; ( 3 ) 模具与铸件的传热系数为 1 000 W /( m 2 • K)[6]; ( 4 ) 金属液的充填速度为3 m / s , 铸件采用空冷方式冷却。
3 . 2 初步工艺方案模拟
浇 注 系 统 I 的 充 型 过 程 见 图 5 。可 以 看 出 ，充型32.7 % 时 ，金 属 液 开 始 流 向 内 浇 口 ；充型52.4%时 ，金 属 液流向铸件底部，并有少量金属液开始流向溢流口 ；充型74.2%时 ，铸件轮廓几乎充填完成，少量金属液流向溢口；充型96.85%时 ，铸件轮廓充填完成，金属液流向溢流槽。从整个充型过程中可以看出，金属液 充 型 平 稳 ，金属液从直浇道流向横浇道，再流向环 形 内 浇 口 ，最后充型的部位为储存冷污金属液和空气的溢流槽，金属液流向正确，浇注系统 I 设置合理。
图6 为 浇 注 系 统 II 的 充 型 过 程 。由 图 知 ，当充型34.5 % 时 ，金 属 液 开 始 从 环 形 内 浇 口 流 向 铸 件 ；充型55.6%时 ，金属液从四个方向流向铸件的端部，少量金属液开始流向溢流口；充型76.8%时 ，铸件轮廓几乎充型完 成 ，金属液流向溢流槽；充型96.8%时 ，金属液充填 溢 流 槽 ，储 存 冷 污 金 属 液 。整个充 型 过 程 ，金属液流 动 平 稳 ，无 飞 溅 现 象 ，金属液从环形内浇口流向铸件 ，最后充填溢流槽，金属液流向正确，浇注系统 II 设置合理。
浇注系统 I 、Ⅱ铸件完全凝固时的温度场见图7 , 可以看出两种浇注系统铸件在侧壁中间部分温度较高，其原因是铸件中间部分内设加强筋，铸件壁厚较厚，在凝固过程中散热较慢，易 产 生 热 节 ，预测此部位会产生缩孔、缩松缺陷。
图8为铸件采用浇注系统 I 所产生的缩孔、缩松缺陷 。铸件产生缺陷集中的地方是铸件加强筋壁厚较大的 地 方 ，其原因是铸件在此区域凝固时温度较高，金属 液 凝 固 较 慢 ，凝 固 速 率 不 均 匀 ，此时会产生细小的孔 洞 被 孤 立 ，从 而 在 完 全 凝 固 时 得 不 到 金 属 液 的 补缩 ，出现缩孔、缩松缺陷。
采用浇注系统 II 的铸件缺陷示意图如图9所 示 ，也在铸件壁厚的地方出现缩孔、缩 松 缺 陷 ，且比采用浇注系统 I 产生的缩孔、缩 松 缺 陷 多 ，其原因是浇注系统II 的内浇口离铸件壁厚的地方近，而浇注系统 I 内浇口离铸件壁厚地方较远。因 此 在铸件壁厚区域，采用浇注系统II比采用浇注系统 I 的 温 度 高 ，在 铸 件 凝 固 时 ，产生的因凝固速率不均匀而被孤立的细小孔洞变多，在 完 全 凝 固 时 ，产 生 的 缩 孔 、缩 松 缺 陷 多 。因此对于两种浇注系统，采用浇注系统I , 铸件的缺陷较少，工艺较优。
3 . 3 工艺优化
为了使铸件在壁厚处凝固均匀，本研究在铸件产生 的 缩 松 、缩孔区域正下方设置了冷却水道，并在缩松 、缩孔区域集中的地方设置两个溢流槽，使其充分排 除 气 体 和 夹 杂 ，转 移 缩 松 位 置 ，其优化后的工艺方案如 图 10所示 。
优化后工艺参数设置其冷区水道与模具的换热系数为2000/ (m2 • K ) ，其他参数不变。
工艺优化后的缩孔、缺陷见图11。可以看出，铸件在加强筋壁厚处无缩松、缩孔缺陷，满足技术要求。说明初步设计工艺产生的缺陷是铸件冷却不均匀造成。
3 . 4 生产验证
图 12为 采 用 浇 注 系 统 I 优 化 后 生 产 的 壳 体 铸 件 。通 过 检 测 ，发 现 其 内 部 无 缩 孔 、缩 松 缺 陷 ，表面无裂纹 ，满 足 力 学 性 能 要 求 ，且 达 到 尺 寸 精 度 、气密性要求 ，已大批量生产。
4 结论
( 1 ) 根据壳体的结构，设计了铸件的两种浇注系统 ，并利用 ProCAST 软件对其进行数值模拟，结果显示铸件在壁厚处产生缩孔、缩 松 缺 陷 ；内浇口设置在铸件壁厚较远的地方产生的缩孔、缩松缺陷较少。分析发现铸件产生缩孔、缩松的原因是铸件在壁厚处凝固不均匀，部分区域被孤立得不到补缩。
( 2 ) 通 过 工 艺 优 化 ，使 得 铸 件 无 缩 孔 、缩松缺陷 ，并采用优化后的工艺进行生产验证，通过检测发现铸件内部无缩孔、缩 松 缺 陷 ，且 满 足 技 术 要 求 ，可以用于指导类似铸件压铸工艺设计。
参考文献：
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