基于DOE優化電連接器外殼壓鑄工藝*

向青春， 路宗原， 趙越超， 楊桂星， 邱克強

(1. 沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870； 2. 中航工業集團公司 沈陽興華航空電器有限責任公司， 沈陽 110144； 3. 沈陽鑄鍛工業有限公司 鑄鋼分公司， 沈陽 110142)

基于DOE優化電連接器外殼壓鑄工藝*

向青春1， 路宗原1， 趙越超2， 楊桂星3， 邱克強1

(1. 沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870； 2. 中航工業集團公司 沈陽興華航空電器有限責任公司， 沈陽 110144； 3. 沈陽鑄鍛工業有限公司 鑄鋼分公司， 沈陽 110142)

為了減少電連接器外殼端蓋壓鑄件的縮孔體積，在綜合考慮各種因素對鑄件質量影響的條件下，以縮孔體積為試驗指標，基于DOE方法，利用ProCAST軟件對壓射速度、充型速度、澆注溫度和模具溫度進行了仿真分析.結果表明，對縮孔體積影響程度從大到小依次為壓射速度、澆注溫度、充型速度和模具溫度.當工藝參數取最優值時，縮孔體積主要分布在排溢系統和澆注系統中.當按照最佳工藝參數進行生產時，鑄件內部未產生縮孔和縮松，且鑄件質量符合檢驗技術要求.

電連接器外殼； 壓鑄工藝參數； DOE方法； 正交試驗； 優化設計； 仿真分析； 縮孔體積； 鑄件質量

電連接器是一種在電器終端之間提供連接與分離功能的基礎元器件，一般由殼體、絕緣體和接觸體三大基本單元組成.電連接器殼體可以起到固定絕緣體的作用，同時可為插合分離提供位置導向，并將電連接器固定到需要安裝的面板上.因大多數電連接器用于各種軍機、武器裝備和高鐵等復雜工作環境中，因此，對其外殼性能提出了更高的要求，電連接器外殼除需要具有耐高溫、高壓和耐腐蝕等特性外[1]，還要求具有輕質和電磁屏蔽性能[2]，因而可以利用鋁合金制造電連接器外殼.

鋁合金電連接器外殼的制造主要包括機械加工、壓鑄和冷擠壓三種工藝[3].近年來，溫擠壓技術[4]也開始用于制造電連接器外殼.相對壓鑄技術而言，其他制造工藝在制造成本方面均不占優勢.如果能夠對壓鑄件內部的縮孔、氣孔以及外表面的冷隔、裂紋等缺陷進行嚴格控制，則不僅能夠滿足復雜形狀電連接器殼體制造的要求，而且還可以提高生產效率、降低生產成本[5-11].本文根據高鐵電連接器外殼端蓋的致密性要求，選用ADC10壓鑄鋁合金作為試驗材料，考察壓鑄工藝參數對縮孔內部缺陷的影響.通過DOE仿真試驗，獲得了鋁合金電連接器外殼的優化壓鑄工藝參數.

1 工藝性分析及澆注系統設計

1.1 工藝性分析

電連接器外殼端蓋如圖1所示.該外殼端蓋的外圍尺寸為156 mm×125 mm×50 mm，平均壁厚約為6 mm，質量為0.556 kg，中心具有一個直徑為40 mm的凸臺，凸臺上開有一個直徑為15 mm、深度為17 mm的小孔，且凸臺與外殼連接的部位壁厚較大.

圖1 電連接器外殼端蓋Fig.1 Shell end cover of electrical connector

試驗材料ADC10鋁合金為Al-Si-Cu系合金，其化學成分為：w(Cu)=2%～4%，w(Si)=7.5%～9.5%，w(Mg)≤0.3%，w(Zn)≤1.0%，w(Fe)≤0.9%，w(Mn)≤0.5%，w(Ni)≤0.5%，w(Sn)≤0.3%，余量為Al.

1.2 澆注系統設計

根據壓鑄外殼類厚壁鑄件的特點，設計了如圖2所示的澆注系統.生產中選用力勁DCC160型壓鑄機.

圖2 電連接器外殼澆注系統Fig.2 Pouring system of cover shellof electrical connector

當設計電連接器外殼澆注系統時，需要注意以下問題：

1) 內澆口設計.根據壓鑄工藝設計原則，澆注系統設置在工件底部.根據鋁合金壓鑄件內澆口厚度經驗數據，設定內澆口厚度為2.5 mm.鑄件下部呈圓弧狀，內澆口寬度應為圓弧直徑的0.4～0.6倍，內澆口長度為2.7 mm.

2) 橫澆道設計.橫澆道是從直澆道末端至內澆道的一段通道，根據鑄件形狀特點采用擴張式橫澆道設計形式，并與內澆口對接.將橫澆道的截面設計為梯形，其高度約為鑄件平均壁厚的1.7倍(10 mm)，其長邊長度為內澆口截面積與高度比值的1.45倍(69 mm)，脫模斜度為15°，圓角半徑為3 mm.

3) 直澆道設計.澆口套長度應小于壓鑄機壓射沖頭的跟蹤距離，以便余料從壓室中脫出.最終確定澆口套長度為15 mm.分流器上形成余料的凹腔深度等于橫澆道深度，其直徑與澆口套相等，脫模斜度為5°[6].

2 模擬前處理

圖3為鑄件網格劃分結果.為了提高網格劃分準確性，鑄件網格尺寸設為1.5 mm.為了加速試驗進度，設置料餅處網格尺寸為5 mm.鋁合金外殼材質為ADC10鋁合金，其液相線溫度為611 ℃，固相線溫度為521 ℃.模具與空氣、鑄件的界面傳熱系數分別為10和1 000 W/(m2·K)，模具與模具的界面傳熱系數為500 W/(m2·K)[12].

3 DOE試驗設計

3.1 試驗指標

影響壓鑄件質量的因素有很多，例如壓鑄壓力、澆注系統的選擇、內澆道開設的位置、壓鑄速度、模具溫度和澆注溫度等.在澆注系統確定的情況下，為了得到高質量鑄件，壓鑄工藝參數的選擇尤為重要，其中壓鑄壓力和壓鑄速度起著更為關鍵的作用.壓鑄壓力分為壓射力和壓射壓力，壓鑄速度分為壓射速度和充型速度.

圖3 鑄件網格劃分結果Fig.3 Mesh division result for casting

速度和壓力是密切相關的兩個工藝參數，當充型速度較低時，即使壓射壓力很大，也會導致鑄件輪廓不清晰，甚至不能成型.當充型速度較高時，即使采用較低的壓射壓力也可以獲得表面質量較高的鑄件.由水力學原理可知，由于金屬液是粘性液體，其流經澆注系統時會發生摩擦而引起動能損失.充型速度和壓射壓力之間的關系可以表示為

(1)

式中：vg為充型速度；p為壓射壓力；ρ為金屬液密度；μ為阻力系數，本文取μ=0.385.由此可見，充型速度與壓射壓力的平方根成正比，而與金屬液密度的平方根成反比.因此，壓射壓力越大，充型速度越高；金屬液密度越大，充型速度越低.總之，壓射壓力和充型速度是相輔相成而又相互制約的兩個工藝參數.為了更好地完成填充、成型和壓實工藝，當制定壓鑄工藝時，必須充分考慮各因素之間的相互影響.由于DOE正交試驗可以在大量制約因素條件下確定出各因素之間的最佳分配方案，因此，利用DOE正交試驗選擇試驗條件，安排試驗計劃并進行相關試驗，從而通過較少次數的試驗，獲得各因素之間的影響規律并確定最優試驗方案.

在實際生產中鋁合金壓鑄件存在多種缺陷，主要分為表面缺陷和內部缺陷.表面缺陷包含流痕、花紋、龜裂紋、冷隔和印痕等，內部缺陷主要包含氣孔、縮孔、縮松、夾渣和硬質點等.由電連接器外殼強度與致密性的技術要求可知，實際生產中對鋁合金壓鑄件的表面質量要求較低.同時，由于壓鑄件斷面厚薄不均，容易出現縮孔缺陷，而夾雜和硬質點等缺陷多由爐料不合格造成，上述缺陷均與模擬過程無關，因此，可將壓鑄件的縮孔體積最小列為試驗指標.

3.2 試驗因子

鑄件質量受到各種因素的綜合作用，使得缺陷分析或壓鑄工藝優化變得更加困難.因此，當選取DOE試驗因子時，需要綜合考慮各種因素對鑄件質量的影響.當對電連接器外殼進行DOE優化時，可以根據各因素對鑄件中縮孔體積的影響程度確定試驗因子.DOE正交試驗因子水平如表1所示.

表1 DOE正交試驗因子水平Tab.1 Factors and levels in DOE orthogonal tests

由表1可見，鑄件壓鑄工藝DOE正交試驗具有四個試驗因子，分別為壓射速度A、充型速度B、澆注溫度C和模具溫度D，每組試驗因子均具有三個水平.

當對電連接器外殼進行DOE優化時，需要注意以下問題：

1) 壓射速度.壓射速度是指壓鑄機壓射缸內的壓力油推動沖頭前進的線速度，或在壓射起始階段金屬液尚未達到內澆口時的沖頭速度.在壓射起始階段，沖頭速度一般控制在0.1～0.4 m/s.若冷室壓鑄金屬液充滿度較高，沖頭速度應該取低一些.電連接器外殼鑄件屬于厚壁類鑄件，選擇其壓射速度為0.15、0.2和0.25 m/s.

2) 充型速度.充型速度是指金屬液在壓力作用下通過內澆道進入型腔的線速度.充型速度的主要作用是將金屬液在凝固之前迅速輸入型腔，因而是獲得輪廓清晰、表面質量較高鑄件的重要因素.過高的充型速度會裹住空氣形成氣泡、氣孔和氧化夾雜等缺陷.根據電連接器外殼鑄件的壁厚、尺寸和復雜程度，選擇其充型速度為31、33和35 m/s.

3) 澆注溫度.澆注溫度是指金屬液進入型腔時的溫度，一般要高于液相線30 ℃以上.由于ADC10鋁合金液相線溫度為611 ℃，確定澆注溫度為650、670和690 ℃.

4) 模具溫度.由于鋁合金壓鑄件在厚壁處易出現縮孔現象，因此，應該選用較低的模具工作溫度.結合生產實際選用模具溫度為210、230和250 ℃.

DOE正交試驗方案如表2所示.利用ProCAST軟件對表2每一組試驗進行模擬分析.設定循環次數為10次，開模時間為10 s，頂料時間為5 s，涂料刷涂時間為7 s，回程時間為5 s，持壓時間為6 s，整體循環時間為50 s.

表2 DOE正交試驗方案Tab.2 Schemes for DOE orthogonal tests

4 DOE試驗結果與分析

利用ProCAST軟件模擬得到鑄件內縮孔體積的定量信息.表3為DOE正交試驗計算結果.對比9組正交試驗結果，采用直觀分析法分析不同試驗因子對鑄件縮孔體積的影響，采用極差法分析各個參數對目標的影響.極差是指正交試驗因子各個水平均值的最大值與最小值之差.極差越大，則改變該因子水平對指標造成的影響也越大，反之，影響就越小.以壓射速度這一正交試驗因子對鑄件縮孔體積的影響為例進行說明.在具體計算過程中，首先需要計算壓射速度這一因子各個水平數值對縮孔體積影響的平均值，然后計算上述平均值的極差.DOE正交試驗指標均值和極差如表4所示.

表3 DOE正交試驗計算結果Tab.3 Calculated results of DOE orthogonal tests mm3

表4 DOE正交試驗指標均值和極差Tab.4 Average values and ranges of DOEorthogonal test indicators mm3

圖4為壓鑄參數對鑄件縮孔體積的影響.由圖4可見，壓射速度對鑄件縮孔的影響最大，其次是澆注溫度，模具溫度的影響最小.

根據表4和圖4排列各因子對鑄件縮孔體積的影響程度.在具體分析過程中，A、B、C和D分別代表壓射速度、充型速度、澆注溫度和模具溫度四種正交試驗因子；而1、2和3分別代表正交試驗因子的三種水平.例如：A2為壓射速度這一因子的第二個水平；B3為充型速度這一因子的第三個水平.各正交試驗因子在不同水平取值時對應產生的縮孔體積極差越大，表明該因子對鑄件質量的影響越大，因而正交試驗因子對應最小縮孔體積的取值水平就是該因子的最佳取值.結果表明，對縮孔體積影響程度依次為A、C、B和D；當正交試驗因子A、B、C和D分別處于0.2 m/s(A2)、31 m/s(B1)、650 ℃(C1)和230 ℃(D2)時，鑄件產生的縮孔體積最小.因此，選定鑄件的最佳工藝參數方案為A2B1C1D2.

圖4 壓鑄參數對鑄件縮孔體積的影響Fig.4 Influence of die-casting parameters onshrinkage cavity volume of casting

5 最優工藝參數的模擬及應用

采用ProCAST軟件對最佳參數方案進行數值模擬，得到縮孔缺陷的分布如圖5所示.由圖5可見，工藝優化后僅在排溢系統和澆注系統中產生了縮孔缺陷，鑄件本身并無缺陷產生.經過定量體積分析得出縮孔體積為8 506 mm3，鑄件質量符合生產要求.由以上分析可知，壓鑄工藝參數的選擇將直接影響鑄件質量，在實際生產中需要不斷調整工藝參數才能確定最優值.影響鑄件質量的參數有很多，而不同參數之間又存在一定的關聯性，因此，僅僅通過單一調節某一工藝參數通常達不到預期效果.

圖5 鑄件最優方案縮孔模擬Fig.5 Simulation of shrinkage cavity ofcasting under optimal scheme

根據DOE正交試驗分析得出的最佳工藝參數方案進行澆注試驗.圖6為經DOE優化后的壓鑄件照片.采用超聲探傷檢驗鑄件內部的縮孔、氣孔等缺陷，檢驗結果表明，鑄件質量已經達到生產技術要求.

圖6 DOE優化后的壓鑄件照片Fig.6 Die casting image after DOE optimization

6 結 論

利用DOE正交試驗法對電連接器外殼端蓋壓鑄件的壓鑄工藝參數進行分析，通過有限元模擬以及縮孔、縮松缺陷分析可以得到如下結論：

1) 對縮孔體積影響程度從大到小依次為壓射速度、澆注溫度、充型速度和模具溫度.

2) 基于DOE正交試驗確定了最佳工藝參數方案為A2B1C1D2.在該方案條件下縮孔主要分布在排溢系統和澆注系統中，鑄件本身并無縮孔形成.

3) 按照最佳工藝參數方案生產的鑄件內部并未產生縮孔、縮松缺陷，鑄件質量符合生產技術要求.

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DiecastingtechniqueforcovershellofelectricalconnectorbasedonDOEoptimization

XIANG Qing-chun1, LU Zong-yuan1, ZHAO Yue-chao2, YANG Gui-xing3, QIU Ke-qiang1

(1. School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Shenyang Xinghua Aero-electric Appliance Co. Ltd., Aviation Industry Corporation of China, Shenyang 110144, China; 3. Steel Casting Branch Company, Shenyang Casting & Forging Industry Co. Ltd., Shenyang 110142, China)

In order to reduce the shrinkage cavity volume of die casting on the shell end cover of electrical connector, the simulation analysis for such technological parameters as punch speed, filling speed, pouring temperature and mold temperature were carried out with the ProCAST software based on DOE method under the condition of comprehensively considering the effect of various factors on the casting quality. The results show that the influence degree on the shrinkage cavity volume is the punch speed, pouring temperature, filling speed and mold temperature in the large to small order. When the technological parameters are the optimal values, the shrinkage cavity mainly distributes in the exhaust and pouring systems. When the production is performed according to the optimal technological parameters, the castings have no internal shrinkage cavity and porosity, and the casting quality accords with the inspection requirements.

cover shell of electrical connector; technological parameter of die casting; DOE method; orthogonal experiment; optimum design; simulation analysis; shrinkage cavity volume; casting quality

2016-11-02.

沈陽市科技計劃項目(F14-197-4-00).

向青春(1972-)，男，湖南衡東人，副教授，博士，主要從事鑄造合金的開發與制備等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶12在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2112.026.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.06.08

TG 249.2

A

1000-1646(2017)06-0640-06

(責任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英)