原標題：汽車車燈支架壓鑄工藝 CAE 分析及模具設計

摘要

分析了汽車車燈支架的結構特點，進行了壓鑄工藝設計，并應用ProCAST軟件對該鋁合金壓鑄件的充型過程、壓鑄模具熱平衡和溫度場進行了數(shù)值模擬分析，預測缺陷產(chǎn)生的位置及原因，根據(jù)預測結果對模具結構進行了優(yōu)化。實際生產(chǎn)表明，采用優(yōu)化后的模具設計方案提升了鑄件質(zhì)量。

車燈支架零件是汽車車燈的重要組成部分，需要具有足夠的強度來支撐車燈外殼，并且需要具有較高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，以確保其能夠牢固、精確、穩(wěn)定地固定在車身上，保證夜間行車的安全性。鋁合金因其良好的性能在車燈支架中得到了廣泛的應用。但是由于車燈支架壁厚不均，且結構復雜，在壓鑄生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生縮孔縮松和冷隔等缺陷，不能滿足汽車的安全行駛要求。為提高某公司鋁合金車燈支架的綜合成品率，本研究針對車燈支架零件壓鑄成形工藝，基于ProCAST進行鑄件充型凝固過程CAE分析，并針對可能出現(xiàn)的缺陷改進壓鑄工藝和模具設計，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

1、車燈支架零件

該車燈支架鑄件結構如圖1所示，材料為EN AC44300鋁合金，其化學成分如表1所示。車燈支架零件結構較為復雜，總體呈板狀，板上有一些保證光學性能的紋路，還存在許多筋肋結構。鑄件主體壁厚3 mm，但局部壁厚差距較大，筋部最小壁厚1.2 mm，最大壁厚8.4 mm，外形尺寸為190.3 mm×191.88 mm×74.22 mm，質(zhì)量613.5 g。鑄件表面要求無毛刺、劃痕，內(nèi)部無縮孔、縮松、裂紋和冷隔等鑄造缺陷，滿足支架零件的強度要求。

圖1 車燈支架鑄件結構

表1 EN AC44300鋁合金化學成分 wB/%

2、壓鑄工藝及模具設計

2.1 分型面選擇

根據(jù)車燈支架鑄件的結構特點，將分型面選在鑄件投影面積最大的頂部安裝孔所在平面。

2.2 澆道設計

澆注系統(tǒng)不僅對金屬液在模具型腔內(nèi)的流向與狀態(tài)、排氣條件、模具的壓力傳遞起到重要的控制作用，還能夠調(diào)節(jié)填充速度、填充時間和模具的溫度分布。

為了使金屬液的流程盡量短，減少不必要的熱量損耗，同時為避免金屬液直接沖擊型芯，將內(nèi)澆道位置設置在鑄件的頂部和兩端的直邊處，如圖2所示。內(nèi)澆道的截面積計算：

式中：A內(nèi) 為內(nèi)澆道截面積，c㎡ ；G為通過內(nèi)澆道的金屬液質(zhì)量，g；ρ為金屬液的密度，g/cm³；v充 為金屬液流經(jīng)內(nèi)澆道的充填速度，m/s；t為充填時間，s。取充填速度為30 m/s，充填時間為0.04 s，內(nèi)澆道壁厚1.5 mm。計算得內(nèi)澆道的截面積為253 m㎡。

橫澆道的結構形式和尺寸主要取決于壓鑄件的形狀、大小和內(nèi)澆道的形狀、位置、方向和尺寸。橫澆道的厚度推薦值計算公式：
                                  D=（5~8）T（2）

式中：D為橫澆道厚度，mm；T為內(nèi)澆道厚度，mm。取橫澆道厚度為8 mm，為了使鑄件脫模方便，設置橫澆道的脫模斜度為15°。

選用臥式冷室壓鑄機，沖頭直徑選取70 mm，料柄厚度設置為18 mm。

2.3 溢流槽設計

在金屬液充填型腔的過程中盡量排除型腔中的氣體和前端冷污金屬液，通過設置溢流槽，改善模具的熱平衡狀態(tài)，提高壓鑄件質(zhì)量。鑄件孔洞周圍是金屬液匯流的地方，容易產(chǎn)生渦流和裹入氣體，所以將溢流槽設置在孔洞外側(cè)以及最后充填的地方，同時為了加工，溢流槽將主要設置在動模上。該零件的澆注系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 澆排系統(tǒng)設計

2.4 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)對壓鑄產(chǎn)品的成形質(zhì)量具有決定性的影響。如圖3所示為該制品的壓鑄模具內(nèi)部冷卻水道布置方案，水道均勻分布在鑄件四周，有利于模具溫度場均勻。

圖3 冷卻水道分布

2.5 模具結構

本副模具模芯長寬分別為350 mm和300 mm。模芯結構如圖4所示，定模芯包含鑲塊1，動模芯部分包含鑲塊2，鑄件周圍形狀由3個滑塊成形，為了便于維修和更換，降低成本，在17個深孔部位做成可更換的長銷型芯。

圖4 模芯結構

3、CAE分析

3.1 前處理

采用HyperMesh軟件對鑄件進行CAE前處理，得到高質(zhì)量面網(wǎng)格模型，再將之輸入ProCAST軟件的MeshCAST模塊，創(chuàng)建體網(wǎng)格。分別設置網(wǎng)格單元尺寸：鑄件為1 mm，動模芯、定模芯、滑塊、型芯和水道為2 mm，整體網(wǎng)格數(shù)量為1 954萬，鑄件、模具的網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 鑄件及模具網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 初始和邊界條件

模具材料為H13鋼，壓鑄工藝參數(shù)如表2所示。模具與鑄件間的換熱系數(shù)設為20 000 W/（㎡·K），動模與定模之間的換熱系數(shù)為1 000 W/（㎡·K），模具與空氣間傳熱系數(shù)為100 W/（㎡·K），脫模劑與模具間換熱系數(shù)設為100 W/（㎡·K）。冷卻水與模具的換熱系數(shù)為5 000 W/（㎡·K），冷卻水和脫模劑溫度均為20 ℃。

表2 壓鑄工藝參數(shù)

將壓鑄生產(chǎn)周期劃分為四個階段，其對應時間如表3所示，成形周期為50 s。

表3 壓鑄成形周期

3.2.2 充型過程分析

圖6所示為金屬液的充型過程，整個充型時間為0.042 s。開始時，金屬液通過內(nèi)澆道后首先填充鑄件散熱片薄板部分，再通過兩側(cè)的內(nèi)澆道從兩端進入型腔，在中部充填完成后金屬液向頂部流動直至充滿，最后充填距離澆道最遠的溢流槽。但在金屬液充填的過程中，由于澆道的設置還存在問題，一部分金屬液會通過中間的澆道率先填充散熱片薄板部分，再通過外側(cè)澆道進入型腔，存在多股金屬液匯流，容易形成冷隔和裹氣，如圖6d中圈出所示。澆注系統(tǒng)基本合理，但仍有優(yōu)化改進的空間。

圖6 車燈支架鑄件充型過程

3.2.3 模具熱平衡及溫度場分析

為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求，通過熱平衡分析，獲得在壓鑄過程中型腔內(nèi)溫度的分布情況和變化趨勢，有助于確定溫度控制的敏感區(qū)域，采取措施降低溫度波動，實現(xiàn)模具溫度場的均勻性控制，并為制定合理的溫度場規(guī)劃提供參考。模具溫度場均勻不僅有利于延長模具使用壽命，還可以提高鑄件質(zhì)量，所以進行模具的熱平衡分析和溫度場分析是非常重要的。

在鑄件、定模和動模的表面各選取一點，如圖7所示，繪制溫度-時間曲線，如圖8所示，可以看出，經(jīng)過12次的壓鑄循環(huán)，模具已經(jīng)基本達到熱平衡狀態(tài)。

圖7 鑄件、定模和動模上選取的點

圖8 三點溫度-時間曲線

在模具達到熱平衡后，選取下一個循環(huán)的溫度場進行分析。如圖9所示，從左至右分別為動模、定模和定模鑲塊在充型前、保壓凝固和噴脫模劑三個階段的溫度分布情況。在充型前，模具的溫度場分布比較均勻，金屬液充填時，模具的型腔表面溫度會隨著金屬液的進入急劇升高；在保壓凝固階段，模具與冷卻水之間的換熱以及向空氣中散熱使得溫度逐漸下降，因為型腔結構復雜，溫度場并不均勻，局部溫度較高，使得鑄件各部位凝固時間有一定的差異，但總體溫度場型腔表面的溫度梯度較小；開模取件時，模具表面與空氣大面積接觸，同時在脫模劑的作用下，模具型腔表面溫度迅速降低，模具型腔以及鑲塊大部分的表面溫度下降到500 ℃以下。

從模具溫度場的分析結果來看，動模和定模型腔表面溫度場分布較為均勻，但局部溫度過高，有熱節(jié)存在，仍有優(yōu)化空間。

圖9 一次循環(huán)內(nèi)動模、定模和定模鑲塊不同時刻溫度場

3.2.4 缺陷分析

圖10所示為該支架壓鑄件的縮孔、縮松分布情況，可以看出，鑄件內(nèi)的縮孔、縮松集中在支架零件上散熱薄片的筋肋結構連接處，以及孔洞周圍壁厚較大的位置。這些位置缺陷的產(chǎn)生，主要是因為在這些區(qū)域凝固時的溫度比較高，金屬液凝固的時間更長，凝固速率不均勻，在完全凝固時得不到金屬液的補縮，出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。此外，由于本鑄件的結構復雜，并且冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)不到位和散熱不均，可能會導致熱量聚集，導致鑄件內(nèi)部溫度過高，從而產(chǎn)生冷隔缺陷，對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。所以，本方案仍需進一步改進，以使生產(chǎn)的支架零件滿足所需的性能要求。

圖10 鑄件縮孔、縮松分布

4、工藝改進與壓鑄生產(chǎn)

為了改善在鑄件兩端澆道流量不夠和一側(cè)型芯影響下流量較小，導致多股金屬液匯流形成冷隔和裹氣的現(xiàn)象，在兩端匯流處以及一側(cè)金屬液填充不足的位置共增加三處內(nèi)澆道，如圖11紅圈所示，使充型過程更加平穩(wěn)以及均勻；并且由于散熱薄板上無法設置溢流槽，為改善筋部排氣情況，增加頂桿，消除了冷隔，提高了鑄件的成形質(zhì)量。

圖11 工藝優(yōu)化后鑄件縮孔、縮松分布

工藝優(yōu)化后數(shù)值模擬預測鑄件縮孔、縮松分布情況如圖11所示。對鑄件做X射線無損探傷，結果如圖12所示。通過對比發(fā)現(xiàn)探傷結果與數(shù)值模擬結果基本一致，壓鑄件在最厚的部位有縮孔，平板波紋及筋部沒有超過Ф0.3 mm的氣孔，滿足質(zhì)量要求。

圖12 X射線無損探傷結果

對模具的澆排系統(tǒng)進行改進后，實際應用表明，該模具連續(xù)生產(chǎn)效率較高，600件/8 h，良品率達到96%，模具壽命達到15萬模，帶澆注系統(tǒng)的壓鑄件如圖13所示。

圖13 實際壓鑄件

5、結論

設計了鋁合金車燈支架鑄件壓鑄工藝及模具，對鑄件充型過程、溫度場以及縮孔縮松缺陷進行了CAE分析，并根據(jù)分析結果優(yōu)化了壓鑄模具設計，改進了澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，采用優(yōu)化模具設計生產(chǎn)出了滿足質(zhì)量要求的車燈支架鑄件產(chǎn)品。

作者

羅維
浙江理工大學
羅維 賈志欣 李繼強
浙江大學寧波理工學院
盧燦雄
浙江大學

本文來自：鑄造雜志