電機殼體鋁合金鑄件工藝CAE分析

李璐,馬志敏

（萬安科技股份有限公司，浙江紹興 311800）

隨著當前社會發展與環境、資源之間矛盾的日益加劇，作為制造業支柱之一的汽車行業也必須跟隨時代的發展，對高污染、高能耗發動機的改進變得越來越迫切。新能源發動機也呼之欲出，新能源發動機動力主要以電能為主，優點在于低排放、低噪音。大力發展新能源發動機，對解決我國汽車工業可持續發展面臨的能源和環保問題具有重大現實意義。輕量化、低排放的新能源發動機自然成為了各汽車企業追逐的方向，汽車鑄件可鑄造的合金有鋁合金、鋅合金、鎂合金、銅合金，還有鑄鋼，其中鋁合金具有密度低，比強度、比剛度高等一系列優點，被廣泛應用于航空航天行業，同時也是作為汽車輕量化最理想的材料[1，2]。本文采用模擬軟件對一款新能源汽車驅動電機的鋁合金電機殼的低壓鑄造工藝進行CAE分析，并結合工藝技術人員經驗，對工藝方案作出調整，最大限度地降低縮孔、縮松傾向，重要部位杜絕縮孔、縮松的產生。

1 定子殼體總成開發過程中難題

某型電機定子殼體總成內腔為封閉式水道，為某公司生產的新型汽車電驅動電機定子殼體，目前正處于開發驗證階段。內腔為封閉式水道，上下水道壁厚最薄處僅為2mm，鑄造工藝方案的策劃（瓶頸過程）確定存在不可預知的縮松缺陷產生的結構，這個難題需要借助工藝開發人員和CAE模擬軟件進行優化分析，對低壓鑄造成形過程進行了模擬，最終確定可行的工藝方案。

2 CAE分析

2.1 CAE分析的模型建立

本文將使用CAE軟件對設計出來的工藝方案進行充型、凝固模擬分析，依據模擬分析結果確定應用于實際生產的最優工藝方案。

2.2 設定鑄造工藝參數

材料選用的是美標牌號對應中國標準牌號ZL101A，其熱物性參數如表1所示。

2.3 凝固模擬結果分析

凝固缺陷預測結果及分析用Anycasting概率缺陷參數模塊中的殘余熔體模數來預測缺陷的產生，為減小初始條件設置誤差對模擬準確性的影響，分析是在6次循環之后得到的結果。采用概率缺陷參數之殘余熔體體積分析其縮松情況，凝固過程數值模擬結果如圖1所示，對凝固模擬結果分析后得出，鑄件凝固過程中存在以下特點：整體上看，鑄件達到完全凝固所需要的時間為105.8551s。隨著鑄件的凝固，在水道與螺孔相交處、水道內側厚大部位，由于壁厚變化較大，補縮通道斷開了（見圖1c），這導致了孤立液體收縮得不到補縮而產生了縮松、縮孔。

圖1 凝固順序

表1 合金的熱物性參數和仿真的澆注工藝參數

3 缺陷分析與工藝整改措施

3.1 分析產生縮松原因，完善工藝方案

由鑄件的凝固結果可知，澆注系統的設計和工藝參數的選擇使得凝固過程中產生較多的縮孔、縮松。由圖1c可知，補縮通道斷開了，補縮不充分，所以需要在一定程度上提高其補縮能力，在縮松部位增加4個暗冒口再次進行數值模擬。

3.2 優化工藝方案模擬結果

金屬液在型腔中的凝固時間設定為184.0438s（如圖2），由優化后的凝固模擬結果（圖2b、c）可知，沒有發現縮松部位，相比于圖1d鑄造缺陷，鑄件的縮孔、縮松基本消除，達到了預期的目標（如圖2d所示）。

圖2 凝固順序

圖3 鑄件實物

4 結語

基于流體力學傳熱學基本方程和有限差分方法,利用鑄造模擬軟件,采用殘余熔體模數預測縮孔、縮松缺陷,用確定性模擬方法模擬微觀組織，將鑄造的充型凝固宏觀模擬與微觀組織模擬相結合,實現了鑄造成型過程從宏觀缺陷到微觀組織進行完整的模擬。以某型鋁合金電機殼體的模具設計為例,證明了該模擬方法能夠指導模具工藝結構優化,減少反復修模、試模所造成的資源和能源浪費[3]，提高工藝成品率，從而為實際生產提供一定的參考價值，縮短產品開發周期，降低產品開發成本。