基于CAE技術(shù)分析鋁合金汽車支架壓鑄件的指向性凝固工藝

劉貴祥、肖榕

（1. 本田生產(chǎn)技術(shù)（中國）有限公司 510730；2. 東風(fēng)本田發(fā)動機有限公司 510700)

目前世界各國都已經(jīng)將CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用到鑄造領(lǐng)域中，但是使用到壓鑄領(lǐng)域中的較少。本文分析了基于CAE技術(shù)的鋁合金汽車支架壓鑄件指向性凝固工藝，以此優(yōu)化汽車支架壓鑄件，促進汽車工藝的持續(xù)發(fā)展。

1 壓鑄件結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的問題

壓鑄件的外形，主要使用ADC12合金，長寬高分別為202.0 mm、150.0 mm、68.0 mm，壁厚度為1.2 mm。凸臺及筋板都具有大量特征，需使用臥式冷壓式壓鑄機進行壓鑄。因為壓鑄件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)在設(shè)計過程中出現(xiàn)問題，會因為流動及凝固指向不一致，出現(xiàn)縮松及冷隔等缺陷，對壓鑄件力學(xué)性能及外觀造成影響。在實際生產(chǎn)過程中，一旦出現(xiàn)以上情況，就要使用大量人力及物力對問題進行解決，從而使產(chǎn)品生產(chǎn)周期變長，增加成本[1]。

2 壓鑄件數(shù)值模擬及計算方程

在實現(xiàn)壓鑄件沖型數(shù)值模擬時，一般都會使用液體金屬，要求其能夠滿足以下方程需求。能量守恒方程公式如下。

其中λ指的是流體導(dǎo)熱率，T指的是溫度，Cp指的是流體的比熱容，p指的是密度，Q指的是內(nèi)熱源。

連續(xù)性方程公式如下。

其中v指的是流體速度的分量，t指的是時間。

對流熱交換方程公式如下。

3 基于CAE技術(shù)的鋁合金汽車支架壓鑄件工藝

3.1 模擬前期處理及參數(shù)設(shè)置

在本次基于CAE技術(shù)鋁合金汽車支架壓鑄件工藝中，鑄件材料使用ZY113Y鋁合金，長度為310.0 mm，寬度為270.0 mm，高度為70.0 mm，隸屬中型壓鑄件。模具材料使用H13鋼，具體邊界條件為鑄件空冷，澆口處壓力為32 MPa，澆筑溫度660℃，模具預(yù)熱溫度設(shè)置在150±50℃，具體填充速度為10 m/s。

3.2 第一種方案

一般鑄造過程中的缺陷主要包括縮松、澆筑不足等，這都是在冷凝過程導(dǎo)致的。所以對凝固的規(guī)律進行研究和認知尤為重要，能對鑄件組織進行改善，降低鑄造缺陷的發(fā)生率，使鑄件性能得到提高。如圖1所示為鑄件凝固的溫度場分布，因為成形、壓鑄及充填的時間過程短，所以會在短時間內(nèi)凝固。通過圖1a和圖1b可以看出來，在凝固時間為0.5 s的時候，合金熔體在溢流槽及逐漸橫澆道中會逐漸的收縮凝固。在凝固時間為25.0 s的時候，液態(tài)會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，體積將會發(fā)生改變，而由于缺乏溢流槽的補縮，在這個地方就會形成縮孔，導(dǎo)致欠鑄情況的出現(xiàn)。如圖2所示，在鑄件的溢流槽部位存在著不同程度的縮孔縮松，說明溢流槽的位置設(shè)計較為合理。但與此同時，鑄件中大部位縮孔縮松依然十分明顯。

圖1 原方案鑄件溫度場分布及凝固時間

臺架搭建步驟：在臺架平臺上安裝發(fā)電機和支架；將試制完成的發(fā)電機按照裝備位置安裝到支架上；用皮帶連接發(fā)電機皮帶輪及拖動電機帶輪；在皮帶輪處貼上反光貼紙（用于轉(zhuǎn)速傳感器上的紅外反射）；標定各傳感器并安裝到相應(yīng)位置（如在溫度傳感器安裝、皮帶輪反光貼紙前安裝轉(zhuǎn)速傳感器等）；連接蓄電池正極與B+端，蓄電池負極連接發(fā)電機接地端；連接調(diào)節(jié)器與蓄電池。

發(fā)電機效率試驗步驟：設(shè)定試驗臺架環(huán)境箱工作溫度為25℃，啟動試驗臺架并開始發(fā)電機預(yù)熱，設(shè)定發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，設(shè)置預(yù)熱時間為20 min，數(shù)據(jù)采集時間為10 min。在數(shù)據(jù)采集過程中共采集30組數(shù)據(jù)（15組最大扭矩、15組最小扭矩及扭矩對應(yīng)得恒定電流和電壓）；再分別設(shè)定發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、6 000 r/min及10 000 r/min。根據(jù)試驗步驟進行試驗，并采集相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，得到試驗結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)束語

通過對比有限元分析結(jié)果，增加永磁體后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子表面磁通密度分布比增加永磁體前更均勻，并且更小。通過對比試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，增加永磁體后，發(fā)電機的效率明顯提升。所以，同等外形尺寸的發(fā)電機，在改善轉(zhuǎn)子的磁通密度分布后，發(fā)電機效率會有改善，說明改變磁通密度對發(fā)電機效率是有影響的[7]。