铝合金发动机支架压铸工艺设计及优化

陈子业等发表于2022/11/18 16:49:37

摘要：根据汽车发动机支架结构进行压铸工艺设计，利用ProCAST软件对铝合金发动机支架压铸工艺进行数值模拟，分析了铸件缺陷产生的位置及原因，通过对比选择出一种较优的工艺设计，并进行改进优化。结果表明，获得的优化方案消除了铸造缺陷，提升了铸件品质，经生产验证后满足技术要求。

汽车发动机支架是发动机悬置系统的重要组成部分之一，它起到了连接发动机和减振元件的作用。车辆在运行过程中，发动机支架通常要受到路面冲击和发动机振动，因此对力学性能要求较高，需要足够的强度、刚度和使用寿命。采用压铸工艺生产的铸件尺寸精确、力学性能优良、内部组织致密，且能大批量生产，因此，可用于制造发动机支架。

在铸造生产过程中，由于发动机支架壁厚不均，且结构复杂，因此容易产生缩松缩孔等缺陷，造成强度和刚度不足，影响汽车的行驶安全。为提高某公司铝合金发动机支架的综合成品率，本研究对发动机支架进行压铸工艺设计，利用ProCAST软件进行数值模拟仿真，通过模拟分析可能出现气孔、缩松、缩孔等缺陷的位置及原因，并进行工艺的改进优化，可以有效避免铸造缺陷的产生，降低试制成本，提高成品率，为该类零件的生产提供参考。

1、仿真模型与初始工艺设计

1.1　铸件结构

发动机支架结构如图1所示，材质为ADC12铝合金，ADC12铝合金化学成分如表1所示。铸件平均壁厚6 mm，最大壁厚22 mm，外形尺寸为220 mm×246 mm×118 mm，重量1.687 kg。铸件总体呈板状，结构较为复杂，局部壁厚尺寸差距较大。铸件要求去毛刺，收缩率为0.5%，无缩孔、缩松、裂纹和冷隔等铸造缺陷。

图1 发动机支架结构

表1 ADC12铝合金化学成分 wB/%

1.2 压铸工艺设计

1.2.1 分型面选择

根据发动机支架结构分析，铸件投影面积最大区域为底部安装孔所在的平面，因此，将该平面选择为分型面。

1.2.2　内浇道设计

为了使金属液流入的流程尽可能短，减少热量损失，将内浇道位置设计在铸件的斜边处。同时为避免金属液正面冲击型芯，将图2中的方案二中最下部的孔改为加工孔。内浇道的截面积计算如下。

式中：Ag为内浇道的截面积，m㎡；V为通过内浇道的金属液的体积，mm³；v为金属液流经内浇道的充填速度，m/s；t为充型时间，s。取充填速度为30 m/s，充型时间0.06 s，内浇道壁厚2.5 mm。计算得内浇道的截面积Ag=370 m㎡。

1.2.3 横浇道设计

横浇道的结构形式主要取决于内浇道的形状、位置、方向和尺寸。横浇道的厚度可由以下公式计算。

D=（5~8）T （2）

式中：D为横浇道厚度，mm；T为内浇道厚度，mm。取D=14 mm，为了便于铸件更好的脱模，设置横浇道的起模斜度为15°。

横浇道的结构设计如图2所示，方案一采用扩张式横浇道，方案二采用分叉式横浇道。

图2 浇注系统结构示意图

1.2.4　直浇道设计

直浇道的大小与压铸机的压室直径有关。本研究压铸机选用J114卧式冷室压铸机，压室直径选取80 mm，余料厚度设置为10 mm。

1.2.5 溢流槽设计

孔洞周围是金属液汇流和最后充填的地方，容易裹入气体和产生涡流，因此，将溢流槽设置在孔洞外侧。同时为便于溢流槽加工，将其设置在动模上。

2、数值模拟分析

将三维模型导入模拟软件ProCAST中进行网格划分，设置铸件网格单元尺寸为3 mm，模具网格单元尺寸为10 mm，共生成网格数量为2 099 277。铸件材料选用ADC12，模具材料选用H13。铸造工艺参数如表2所示。

表2 铸造工艺参数

2.1 充型过程分析

方案一的充型过程如图3所示。金属液在通过内浇道后，首先向右侧充填，在右侧充填完成后金属液向左侧流动，直至充满，总充型时间0.182 s。在金属液充填时，由于型芯的阻碍，在型芯背后形成了死角区，如图3圈中所示，这可能会导致涡流和包气的产生。方案二的充型过程如图4所示。金属液在通过内浇道后，首先向后侧充填，到达最后侧之后，开始向两侧充填，直至充满，总充型时间为0.176 s。相对于方案一，金属液在流过中部的型芯后不会出现死角区，但在往左侧充填的过程中，多股金属液汇流，如图4圈中所示，易裹入气体。

图3 方案一充型过程

图4 方案二充型过程

两种浇注系统在充型过程中金属液流动平稳，无飞溅现象，金属液从浇注系统流向铸件，最后流向溢流槽。因此，这两种浇注系统都比较合理，但需进行进一步优化。

2.2 凝固过程分析

方案一的凝固过程如图5所示。凝固首先从远离内浇道处开始，即铸件右上部，之后逐渐朝浇道方向凝固。当t=15.54 s时，内浇道基本凝固完成，此时铸件大部分区域已经凝固，但一些壁厚较大的部分，还未完全凝固。从整个凝固过程温度场变化来看，凝固时并没有实现顺序凝固，一些壁薄的地方先凝固，而壁厚的位置最后凝固，而且壁厚位置远离浇口，很容易在凝固时产生孤立液相，无法补缩，最终形成缩松缩孔缺陷。方案二的凝固过程如图6所示。相对于方案一，方案二的内浇道凝固完成时间更早，因此更难以对壁厚区域进行补缩。同时，在壁厚处，方案二的凝固温度也比方案一高一些，因此，也更容易产生热节。

图5 方案一凝固过程温度场变化

图6 方案二凝固过程温度场变化

2.3 缺陷分析

图7为两种方案的缩松缩孔分布图。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，此时会造成细小的孔洞被孤立，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。对比两种浇注系统，可以发现这两种浇注系统出现缩松缩孔位置大致相同，但在缩松缩孔体积方面，在去除溢流槽后，方案一的缩松缩孔体积为0.136 cc，而方案二的缩松缩孔体积为0.939 cc。因此，在减少缩松缩孔方面，方案一更优。

图7 缩松缩孔分布图

图8为两种浇注系统裹气量的分布图。裹气量的大小与充型过程密切相关。方案一在充型过程中由于型芯的阻碍，产生了死角区，特别是最下部孔洞处裹气严重，而且由于设计不当，溢流槽无法完全发挥作用。在去除溢流槽后，方案一的最大裹气量为0.002 37g/cm³。方案二在充型过程中较为顺畅，卷入的气体较少，在去除溢流槽后，最大裹气量为0.001 09 g/cm³。因此，在减少裹气量方面，方案二更优。

图8 裹气量分布图

综合比较两种浇注系统，虽然方案二在充型方面较方案一更优，裹气量更少，但在缩松缩孔方面，方案一产生的缺陷明显较少。因此，选用方案一作为后续工艺改进的方案。

3、工艺改进

3.1 优化方案

由于初始工艺无法得到符合要求的铸件，需要对其进行优化，主要包括对溢流系统的优化和增加冷却系统两个方面。

在充型过程中，针对中间型芯后部产生的死角区，将中间的孔洞改为加工孔，这能使金属液的流动更为顺畅，同时也增加了局部厚度，使其最后凝固，为周围提供补缩作用，使缺陷得以转移到加工孔内。针对铸件下部裹气量严重的问题，将下部侧边的两个溢流槽合并，并且加大尺寸和容积，增强溢流作用。由于下部孔洞周围壁厚差距较大，因此将最下部的溢流槽加厚，且使用较厚的溢流口，在排除气体和夹渣的同时能转移缩松缩孔，起到冒口的作用，改善此处内部质量。溢流系统优化如图9所示。

图9 改进后的溢流系统设计

在凝固过程中，针对壁厚处凝固温度较高且凝固慢的问题，增加冷却系统，调整凝固时温度场分布，实现顺序凝固。冷却系统采用水冷，冷却水温度15 ℃。冷却水管路分布如图10所示，冷却工艺参数如表3所示。

图10 冷却管路分布图

表3 冷却工艺参数

3.2 优化方案模拟

对优化后的工艺方案进行数值模拟，充型过程及凝固温度变化如图11所示。可以看出，整个充型过程非常平稳，金属液没有出现分离回流等状态，中间部位在充型过程中也没有出现死角区。在凝固过程中，除了远端先凝固外，增加冷却系统的壁厚处表面也开始提前凝固。与此同时，中间部位变为加工孔后，局部厚度得以增加，使其相对于周围最后凝固。最下方的溢流槽由于加厚，延长了凝固时间，使其晚于铸件下部凝固。