【压铸工艺改善】数值模拟的自动优化，在压铸件品质改善中的应用

迈格码发表于2022/11/11 10:23:38 铝合金压铸模拟自动优化

标题：数值模拟的自动优化在凸轮轴支架品质改善中的应用

摘要：本文针对某发动机的凸轮轴支架在试制阶段出现了气孔及漏气等缺陷，借助数值模拟软件的自动优化功能，以减少产品热节为目标，对工艺参数进行了模拟分析，找出最佳的工艺组合方案。采用优化的工艺方案进行试制，解决了产品的缺陷，提高了铸件的品质，缩短了开发周期。实践结果表明借助数值模拟的自动优化功能可以快速准确的提供解决方案，在解决实际问题中起到积极的作用。

随着汽车行业节能降耗、低排放的要求，汽车零部件呈现了质量轻量化、性能集成化的发展趋势，使得铸件的结构愈来愈复杂,质量要求愈来愈高，给压铸生产带来了更多新的挑战。影响压铸件质量的因素众多，不同的方案，不同的参数得到不同质量的铸件。目前行业内在产品质量改善中往往采用“试错法”，即通过不断的修模、试制、验证的过程找寻其间的规律，直至产品质量合格。这种操作方法会导致在产品开发过程中出现多次试制，耗费了较多的人力、物力和时间。

本文以某一款凸轮轴支架的品质改善为例，在优化浇注系统后，通过软件的自动优化功能，以高速速度为变量，以较小的热节点为目标，通过迭代运算，输出最佳的工艺组合方案。并以此方案为指引进行试制，试制结果表明选用自动优化后的参数验证，产品质量合格，缩短了调试时间。

1、产品简介及质量信息

该产品为某汽车发动机的凸轮轴支架，结构图见图1所示。铸件要求使用的铝合金材料为JIS H5302 ADC12，其基本尺寸为480mm×235mm×87mm，铸件的平均壁厚为3.5mm。因产品的功能要求，对产品需要做气密性检测。油道部分要求在0.3Mpa的气压下无泄漏，腔体部分要求在0.1Mpa的气压下无泄漏。

图1 凸轮轴支架结构图

产品经过首次试制，检测发现在螺纹预铸孔侧壁有较大的缩孔，内部质量不合格。对缺陷处进行剖切，如图2所示，红色线框标示处有缩孔。根据首次试制的参数以及模型进行模拟，结果显示缺陷位置因产品壁厚过厚，相对凝固时间较长，形成大的热节，最后导致缩孔。实际缺陷与模拟结果的对比如图2所示。基于上述原因，需从调整铸件的浇注方案、凝固顺序等方面着手改善。

图2 产品缺陷图片及模拟热节点

2、方案自动优化模拟分析

针对以上的分析，准备从2个方面进行改进。首先在保证零件成型的前提下，对浇注方案进行优化。由于缩孔的形成原因是产品壁厚较厚，增加后难以补缩，所以在浇注系统优化上先缩小热节处的浇口面积，减少流经热节点处的铝料，降低模具升温的幅度。修改后的方案对比图见图3所示。其次，浇注系统更改后，与之相匹配的工艺参数也要随之变化。在本案例中，以高速速度为变量，以较小的热节值为目标，结合软件的优化功能让软件自动运算，输出判定结果。图4为设计高速速度为变量的设定图示。

图3 浇注方案优化对比图

图4 压铸工艺参数优化设计图

图5为自主优化的模拟结果。图5a中每一条彩色线段为一组工艺参数方案，共5个竖轴，从左至右分为高速变化区间，压射方案变化区间，成型温度结果范围，内浇口速度范围和热节时间范围。通过拖动每个竖轴上下两端的箭头来获得最佳的工艺方案，例如想要最低热节时间，往下拖动竖轴上端箭头，最后得到最小的热节时间为方案1，同时方案1的成型温度也较高，内浇口速度相对较低。图5b左竖轴为热节时间范围，右竖轴为成型温度结果范围，下横轴为全部工艺方案，通过观察温度和热节时间的变化曲线，可以发现方案1的成型温度相对较高，热节时间最短。图5c最上一排为热节时间根据不同方案和高速速度的变化规律，第二排为内浇口速度根据不同方案和高速速度的变化规律，第三排为成型温度根据不同方案和高速速度的变化规律，右一竖排为高速速度的变化范围，右二竖排为几何方案的变化范围，以热节时间结果为例，该结果时间变长随着从方案一切换到方案二，同时其总体趋势随着高速速度的提升而变长，所以通过观察其变化规律，从而抓出最准确的方案与工艺参数。综合以上所述，在保证成型温度的基础上，采用相对较低的压射速度并配合压射方案一，可以获得最小的热节时间，通过减小热节时间，从而降低实际生产中所出现的凝固收缩类缺陷。