原标题 浙江大学&宁波拓普：某汽车后舱一体化压铸件工艺分析及缺陷改善

导读

汽车轻量化是应对汽车保有量快速增长带来的能源和环境问题的有效措施，因此得到车企的广泛重视。汽车后舱是底盘系统的一个重要结构件，为悬架系统和车内座舱等零部件提供安装位置，起到良好的承载支撑作用，其品质直接影响着整车的稳定性、舒适性、耐久性、NVH以及抗碰撞性等性能。由于汽车后舱压铸件体积大、壁厚不均，且结构复杂，在压铸生产过程中，尤其是充型末端，容易产生气孔缺陷，对压铸件的品质产生影响。提高压铸件品质是保证整车安全的关键，研究者使用CAE技术分析了压铸件的缺陷，发现模具结构是决定压铸件品质的关键。通过修改模具结构并结合数值模拟技术研究了压铸缺陷，发现优化模具排溢结构设计有助于减少铸造缺陷。舒虎平发现优化溢流槽结构，能够有效排出金属液中的空气，防止气孔缺陷的产生。本研究以某品牌汽车后舱压铸件为对象，通过对其压铸工艺设计、压铸缺陷的原因分析及工艺优化，减少压铸生产时缺陷的产生，探讨大型一体化压铸件成形工艺优化与缺陷控制方法，旨在为其应用提供参考。

图文结果

所研究的铝合金汽车后舱，外形尺寸为1 591 mm×1 311 mm×777 mm，毛坯质量为63.377 kg，属于大型一体化压铸件，其结构复杂，存在许多加强筋，壁厚不均，主体平均壁厚仅为2.5 mm，最厚处超过10 mm，见图1。由于产品几何尺寸较大，热处理难度较高，为了满足生产要求，选用商用JDA1B免热处理铝合金。该合金强度高，延展性适中，焊接性良好，适用于结构件高压压铸，性能可以较好地满足零件力学性能要求，有效提高制品良品率。

由于该铸件为框架结构且铸件几何尺寸极大，为保证压铸时金属液填充流程最短，且流至型腔各部位的距离尽量相近，采用中心进料的方式，使得填充路径减少曲折和避免过多的迂回，实现铝液沿型腔全周顺序填充，控制金属液的凝固时间，以达到提升产品品质的目的。由于本研究只对U型槽部位进行缺陷分析及其品质优化，因此只展示压铸件U型槽部位及其周边浇注系统（对应图1方框处），见图1b。结合本产品的壁厚及结构特点，将模具的预热温度设为150 ℃，金属液的浇注温度控制在720 ℃。浇注速度分为低速和高速两个阶段，低速设为0.2 m/s，高速设为6.5 m/s。主要生产工艺参数见表1。

Flow-3D 能够应用于多种铸造场景，特别是存在复杂金属液流动场景的大型一体化压铸过程，因此使用该软件对压铸过程进行数值模拟分析。根据确定的压铸工艺方案对U型槽区域充型过程进行分析，结果见图2。可知金属液对U型槽型腔填充完毕后，多余铝液流入U型槽位置渣包内，但在填充结束前，U型槽右侧渣包已被铝液填充完毕，多余铝液只能流入溢流槽。由于原方案中该溢流槽与U型槽处渣包相连，这股铝液会通过溢流槽对U型槽处的铝液形成冲击，并将一部分气体卷积在此处，产生气孔。

图1 汽车后舱压铸件及局部结构
1.溢流槽   2.铸件   3.中心浇道

表1 汽车后舱压铸工艺参数

图2 铸件充型过程

U型槽区域是汽车后舱压铸件中起到承载支撑作用的关键位置，应满足伸长率≥5%的要求。通过分析可知，该区域的卷气现象严重，易产生气孔缺陷并造成伸长率不满足生产要求的问题，因此需对图3所示位置进行取样并进行拉伸测试，确认U型槽区域的力学性能，选取3个试样测试并取平均值。在汽车后舱压铸件对应位置切下尺寸为70 mm×30 mm×4 mm试样，使用线切割机床加工为55 mm×15 mm×4 mm的拉伸试样，见图4，并用1 200号砂纸打磨表面及棱角，确保无刀痕、无毛边、无毛刺（圆角＜1 mm）。使用UTM5105X万能试验机按照GB/T 228.1-2010标准进行拉伸试验，结果见图5。3个样件的伸长率只有产品要求的76.4%、90.2%和80.0%，未达到合格标准，同时进一步通过X光分析确认缺陷类型，结果见图6，确认该位置存在气孔缺陷。

图3 试样切割位置

图4 拉伸试样尺寸示意图

图5 样件伸长率测试结果

图6 样件X光结果

针对该部位气孔缺陷，主要通过优化排溢系统实现对缺陷进行改善。结合铸件充型与凝固过程的流场分析发现，已填充完的U型槽区域的渣包金属液仍具有较高的流动性，被相连的溢流槽中冲出的金属液冲击后会产生卷气，影响了铸件成形品质。
原方案（见图7）排溢系统设计不合理，U型槽处的渣包与其右侧渣包通过溢流槽相连，两处型腔的充型速度不一，导致后填充完成的铝液相互串流产生干涉，影响充型品质。优化后排溢系统见图8，将U型槽渣包与其右侧渣包相连的溢流槽进行截断，防止与后续生产的Al液干涉，并为U型槽处的渣包进行单独引出排气。

图7 优化前的排溢系统

图8 优化后的排溢系统

忽略除了U型槽以外的铸件充型过程流场，只对充型末端U型槽及其渣包和溢流槽区域的充型过程流场进行分析。图9为优化排溢系统后的压铸流场。可以看出，在铸件的充型过程中，充型末端U型槽区域的渣包填充速度依然比与其相连的溢流槽快，后续溢流槽中仍冲出一部分金属液至U型槽渣包区域，导致渣包区域出现一定卷气，形成品质较差区域。根据优化后的方案重新改进模具浇注系统，获得的压铸件表面光洁，无明显缺陷。采用X光探伤设备检测铸件的内部品质，结果见图10。在铸件充型末端U型槽内部均无明显的气孔、裂纹等缺陷，铸件内部结构致密，品质良好，这说明优化方案能够有效地提高铸件品质。图11为排溢系统优化后U型槽处样件的伸长率。可以看出，铸件U型槽处的伸长率得到了较大的改善。

图9 优化排溢系统后的U型槽区域的压铸流场

图10 优化后样件X光结果

图11 铸件的伸长率

结论

（1）通过计算机仿真软件对铸件充填过程进行模拟分析和伸长率测试，并结合X光探伤，对铸件伸长率不足的原因做出分析。

（2）通过降低金属液浇注温度和优化排溢系统，发现优化后的铸件U型槽处的伸长率得到了明显提高，优化后的伸长率比优化前平均提高了约30%。

作者：

卢灿雄1,2 罗维2 李继强2 贾志欣2 刘立君2 吴士荣3 杨斌3 孙丽丽3 郭涛3

1.浙江大学机械工程学院；2.浙大宁波理工学院机电与能源工程分院；3. 宁波拓普汽车电子有限公司

本文转载自：《特种铸造及有色合金》