原標題：基于 CAE 分析的鋁合金二合一殼體壓鑄工藝設計與優化

摘要   介紹了某新能源汽車二合一殼體結構特點。設計了初始壓鑄工藝并進行試產。借助CAE軟件對殼體試件局部缺陷進行深入研究，分析其產生原因，確定了澆注系統優化改進方向，解決了鑄件內部氣孔和渣孔缺陷。

近年來，我國新能源汽車產業飛速發展，新能源汽車正在成為汽車行業的“生力軍”。電機和變速箱等驅動系統是新能源汽車的核心組成部分，由電機和變速箱等動力系統和驅動系統合二為一設計的產品越來越得到新能源汽車行業的青睞。高壓鑄造生產能明顯減小產品壁厚，并保持結構強度。而且壓鑄接近凈成形，成本顯著降低，生產效率大大提高。由電機和變速箱組成的鋁合金二合一殼體高壓鑄造生產已得到各大公司的認可。由于壓鑄工藝采用的是高速、高壓的充型，在壓鑄充填過程中極易卷入氣體，致使壓鑄件常有氣孔及氧化夾雜等問題的存在。

1、產品分析

某新能源汽車鋁合金二合一殼體如圖1所示，結構主要由兩部分組成，一部分為電機殼體，另一部分為變速箱殼體。二合一殼體外形輪廓尺寸468 mm×312 mm×286 mm，最厚部分29.8 mm，電機殼體部分基本壁厚7 mm，變速箱殼體部分基本壁厚5 mm，結構比較復雜，殼體體積4 251 cm³，重量11.8 kg，計劃產量10萬件/年。材料為Al-Si-Cu系合金，執行標準為JISH5302—2000，牌號為ADC12，其液相線溫度592 ℃、固相線溫度539 ℃。因電機溫度控制需要，殼體內設計有冷卻水道，故有泄漏量限制。常溫下在300 kPa壓力測試，保壓40 s后測試泄漏量應在0.4 cm³/min以內。另外，殼體有焊接需求，其與水套環及水套進行攪拌摩擦焊接。

圖1 某二合一殼體

2、壓鑄工藝設計

二合一殼體鑄件體積大，鋁液通過澆注系統后流程長，需要選擇流程較短填充方案，經方案論證，確定“Y”型澆排整體方案，如圖2a所示，為了減小填充過程中澆道處的能量損失，采用鷹嘴型澆道。在末端分別設置渣包，將渣包通過排氣道連接起來，匯集到1個排氣口用來抽真空。

圖2 澆排和冷卻系統

2.1 澆排系統設計

澆排系統能保證鑄件充型時各區域合理配置，排氣順暢，盡可能減少氣體的卷入。殼體兩部分基本壁厚分別為7 mm和5 mm，內澆道速度為28~35 m/s，內澆道截面積為1 824 m㎡，內澆道厚度5 mm，沖頭直徑150 mm，料缸充滿度42%，內澆道截面積與活塞截面積為1∶9.7。根據伯努利原理可得，當內澆道流速為35 m/s時，沖頭速度為3.6 m/s。選用力勁集團DCC2500臥式冷室壓鑄機，鎖模力25 000 kN。

排溢系統采用渣包與抽真空排氣，采用抽真空減少了填充過程中鋁液和型腔內空氣的接觸氧化，渣包有助于將壓鑄時混進鋁液中的脫模劑、潤滑顆粒、與空氣接觸的氧化夾渣、流動前端所卷入的氣體從型腔排出，存放于渣包內，保證鑄件的品質。抽真空系統選用海望公司HVY800-100SM V5抽真空機，其抽真空能力100 m³/h，配備液壓式真空閥，生產過程中真空表顯示100 mbar。表1內列出了澆排系統工藝參數。

表1 澆排系統參數

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厚壁區域的冷卻。冷卻系統見圖2b，藍色為常壓冷卻水路，綠色為模溫機油路，紅色和洋紅色為高壓點冷。

3、數值模擬和鑄件缺陷分析

采用Anycasting軟件對所設計壓鑄澆排工藝方案進行數值模擬，分析鋁合金液的填充效果，以及設計是否導致鑄件內部缺陷。

3.1 數值模擬分析

根據初始壓鑄工藝設計，在數值前處理中設置計算條件：澆注溫度670 ℃；活塞直徑150 mm；壓射速度低速為0.8 m/s，高速為4.1 m/s；模具材料為SKD61鋼，預熱溫度為180 ℃；冷卻介質設置為水，控制進口水溫為25 ℃；氧化夾渣選擇Anycasting默認設置，515 ℃對應量綱0和澆注溫度670 ℃對應量綱1；抽真空設置50 mbar。

鑄件充型過程數值模擬結果如圖3所示，從圖中可以看出，鋁液由左右兩側內澆道同時進入型腔，過程中鋁液先填充澆道下方變速箱部分，進而填充電機殼部分，當電機殼部分填充基本完成后再填充無澆道的變速箱部分，電機殼動模側圓周是充型末端，無澆道的變速箱殼部分也是充型末端。充型過程平穩，卷氣情況較少，充型順序和預期基本一致，型腔完全充滿，沒有出現澆不足的現象。

圖3 充型順序

3.2 鑄件缺陷分析

根據上述分析，在力勁DCC2500壓鑄機上試生產，壓鑄試生產后，首先對鑄件進行X光探傷，對所有區域進行掃描和增強顯示，檢測壓鑄件的內部質量。經過多輪調試，二合一電機殼體內部缺陷主要集中在澆道下方一處懸置孔位置，如圖4所示，無法明顯減小，達不到客戶的驗收標準。

圖4 鑄件內部氣孔和渣孔缺陷

采用Anycasting軟件充型過程粒子追蹤功能獲得流場中的流線、渦旋等信息，如圖5所示，從圖中可以看出，充型過程鋁液通過澆道以極高速度向下填充，在懸置孔下方遇到阻力后反向填充，進而沿著殼體厚壁充型，形成回卷渦流。型腔內的氣體無法排出，另外鋁液前端冷卻的顆粒狀鋁渣無法排出型腔，其和未排出的氣體混合在一起造成鑄件局部氣孔、渣孔。

圖5 充型過程粒子跟蹤分析

4、澆注系統結構優化和數值模擬分析

使用UG軟件優化二合一電機殼澆注系統，如圖6所示，首先切斷懸置孔附近的澆道，改為渣包，將懸置孔充填過程中渦流卷氣造成的缺陷排出鑄件外部，作為方案一；因封堵一處澆道造成整體的澆道面積減小，所以將切斷的澆道兩側的澆道加大作為方案二；切斷的澆道左側的澆道不加大作為方案三，驗證充型效果。

圖6 澆注系統改進方案

采用上述三種澆注系統方案，分別采用Anycasting軟件進行數值模擬分析，查看澆道下方懸置孔部位的充型效果。如圖7所示，方案一中，鋁液在渣包口左側進入渣包后又在右側有擠壓排入型腔的趨勢；方案二中，鋁液在渣包口右側進入渣包后又在左側大量擠壓排入型腔；方案三中，鋁液匯入渣包后未發現回流進入型腔的現象。

圖7 針對不同澆注系統改進方案的數值模擬結果

綜上所述，方案三澆注系統最為理想；在方案三的基礎上加大渣包體積，改善充型效果，如圖8a所示，作為最終的澆注系統改善方案。

圖8 最終澆注系統方案和試模驗證結果

5、優化效果

本研究過程中，首先通過對鑄件結構特征分析，設計了初始壓鑄工藝并試產鑄件；其次，通過對試產鑄件缺陷分析并通過多次澆注系統設計調整，確定了澆注系統整體方案；第三，進一步對鑄件懸置孔局部缺陷分析，確定了改進方案；最后，針對改進方案，加大渣包體積，確定最終優化澆注系統結構。以上過程中多次用到數值模擬技術分析缺陷產生的原因，找到了工藝完善方向。模具試模驗證澆注系統有效，氣體和夾渣進入了渣包，消除了懸置孔部位氣孔和渣孔缺陷，如圖8b所示。

6、結束語

針對某新能源轎車鋁合金二合一殼體成形需求，反復運用Anycasting軟件和工藝試驗進行壓鑄工藝改進完善，分析并發現鑄件充型過程局部渦流、卷氣導致鑄件缺陷的原因，最后得到優化的澆注系統設計方案，經過試模驗證，證明了優化方案的可行性。

作者
雷書星 侯志杰 唐培潔 宋曉紅
大連亞明汽車部件股份有限公司
本文來自：鑄造雜志