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    铝合金后端盖压铸工艺优化及局部挤压设计

      国内压铸件产品呈现多元化特征，涵盖领域包括汽车、通讯、五金、玩具、家电、航空等。目前国内每年压铸件产量约210万吨，其中铝合金压铸件占总产量的3/4。ADC12铝合金压铸件具有成品率高、密度小、强度高、加工性能好等特点，适合大批量生产，广泛应用于新能源汽车和电子通讯领域。铝合金后端盖是新能源汽车驱动电机的重要部件，它既是电机外壳的一部分，又兼有轴承座功能，需具备足够强度和刚度以支撑转子运动，同时容纳轴承供油的油路和电子控制的线路。

1、产品结构分析

      后端盖结构如图1所示，材质ADC12，属于Al-Si-Cu系铝合金。压铸件壳体区域壁厚5mm，结构复杂，中心有一处直径为60mm的轴承孔，背面有5处直径29mm的厚大悬置孔，容易产生缩孔、缩松缺陷。

图1 后端盖压铸件结构

2、压铸工艺设计

2.1 分型面选取

      分型面设计如图2所示。为了从型腔中顺利取出后端盖压铸件，在铸件最大截面处设置分型面，并综合考虑包紧力的影响，使压铸件在开模后留在动模处，利用动模上的顶杆推出工件。

图2 分型面设置示意图

2.2 浇注系统设计

      后端盖圆盘侧有5处悬置孔，壁厚较厚，是气孔和缩孔发生的高风险区域，因此模具设计时优先将内浇道布置在该处，以提高此区域的补缩效果。同时，该处结构复杂难以排气，优先填充该区域使冷料流向末端，可减少卷气缺陷。内浇道截面积按流量经验公式

      （1）计算：

式中：Ag为内浇道截面积；G为通过内浇道的金属液质量，根据3D模型测算为2983g；ρ为金属液密度，取2.4g/cm³ ；vg为内浇道处金属液的充填速度，取40m/s；t为充型时间，取0.05s；计算得内浇道截面积为621m㎡ 。

      横浇道厚度尺寸过小会降低金属液温度，过大则冷却速度缓慢，影响生产率，增大金属消耗。横浇道厚度由经验公式（2）确定：

                                      D=（5~8）T （2）

式中：D为横浇道厚度，T为内浇道厚度，取D=25mm。横浇道的截面积形状设计为扁梯形，截面积大小从直浇道到内浇道保持均匀渐缩变化。

2.3 溢流系统设计

      溢流系统能够及时地收集冷污金属液，排出型腔中的气体，抵消涡流，对铸件起到部分补缩作用。考虑到充填距离较长，金属液抵达型腔尾部时热量损失大，因此在金属液最后充填的位置设置多道溢流槽。完整的浇注系统与溢流系统设计如图3所示。

图3 后端盖铸件压铸工艺

3、数值模拟与工艺优化

3.1 前处理

      采用Flow-3D软件对设计的压铸工艺进行数值模拟验证。将计算域内三维几何模型以stl格式导入软件中，设置网格单元尺寸为0.15cm，模具材料设为H13，压铸件材料设为ADC12，流动模式设为紊流模型，工艺参数的设置见表1。

表1 工艺参数

3.2 初始方案

      充型过程数值模拟结果如图4所示。从图中可以看出，t=0.3578s时刻，金属液首先从中间的内浇道进入型腔；t=0.3578s时刻，3个横浇道的金属液在中心汇流；t=0.3889s时刻，整个型腔的轮廓大部分填充完毕；t=0.3966s时刻，整个铸件基本充填完毕。从金属液进入内浇道开始到填充完成，产品填充全程时间为0.0388s。从图4d可以看出，A区域标记的悬置孔未完成充填，此时该区域周围已经被金属液包围，卷入该处的气体将难以排出，需要对浇注系统进行优化。

图4 充型过程数值模拟结果

3.3 优化方案

      根据铸件的结构特点和初始工艺方案数值模拟结果，将中间的内浇道分为两支，调整进料的角度有利于优先充填铸件前端的厚壁区域。优化后的内浇道设计如图5所示。

图5 优化后的浇注系统

      浇注系统优化后铸件充型过程数值模拟结果如图6所示，由图可见，t=0.3694s时刻，金属液通过内浇道开始充填型腔；t=0.3852s时刻，开始充填中心轴承孔位置，金属液流动平稳；t=0.3927s时刻，首先进入型腔的金属液进入溢流槽，将夹杂的气体与氧化物带入溢流槽，此时压铸件基本充填完毕，与初始工艺相比，有缺陷的悬置孔区域充型状况良好；t=0.4004s时刻充型完毕，充型过程时长约为0.031s，金属液充填顺序良好，铸件轮廓清晰。

图6 优化浇注系统后充型过程数值模拟结果

4、局部挤压工艺

      根据优化工艺设计制备模具并进行试产，铝合金材料选择ADC12，压铸机为DCC800T卧室冷室压铸机，压铸过程中对模具型腔抽真空，以减少铝液流动过程夹杂和气体卷入量，提高填充质量。经X射线无损探伤检测发现，产品部分位置存在较多缩松，如图7所示。分析该缺陷产生的原因是此处壁厚尺寸较大，凝固较晚，中心热节补缩不足。综合考虑模具结构与生产实际情况，确定采用局部挤压工艺进行优化。

图7 无损探伤结果

      局部挤压是在模具中增加挤压销，通过油缸推动挤压销，对铸件缩孔部位加压，强制补缩，可获得高品质的压铸件。挤压位置如图8所示，设置两支直径分别为9mm与6mm的挤压销。

图8 局部挤压设计

挤压油缸直径的选取由式（3）确定：

                     P系统油压S油缸 =P挤压S挤压销   （3）

      产品制造采用力劲DCC800T压铸机，该设备的P系统油压 为14MPa，P挤压的数值为铸造应力的3~4倍，取360MPa，S挤压销为挤压销截面积，计算得油缸内径为57mm。考虑到挤压过程中挤压销与挤压套间有一定滑动间隙，铝屑容易进入，造成摩擦力增大，将油缸内径向上选取为80mm，以克服运动阻力和机械能消耗。

      挤压延迟时间是充型完成后至局部挤压开始的时间，在铸造过程中，当金属液处于半固态状态时开始挤压可以获得最佳的挤压效果。挤压持续时间是指挤压销开始挤压直到回退时所持续的时间。通过试验，确定延迟时间为1.5s，持续时间为10s。

      对模具结构优化后进行生产，经检验，设置局部挤压后的压铸件产品质量良好，X射线探伤结果如图9所示，无明显孔洞缺陷。

图9 工艺优化后铸件无损探伤结果

5、结束语

      （1）通过对铝合金后端盖结构工艺性分析、压铸工艺设计和数值模拟优化，并采取改变内浇道数量和角度工艺措施，实现了金属液顺序填充。

      （2）在厚壁区域设计局部挤压工艺，延迟时间1.5s，持续时间10s，消除了该区缩孔缺陷，得到合格铸件。

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