基于CAE技術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. 本田生產技術（中國）有限公司 510730；2. 東風本田發動機有限公司 510700)

目前世界各國都已經將CAE技術廣泛應用到鑄造領域中，但是使用到壓鑄領域中的較少。本文分析了基于CAE技術的鋁合金汽車支架壓鑄件指向性凝固工藝，以此優化汽車支架壓鑄件，促進汽車工藝的持續發展。

1 壓鑄件結構可能出現的問題

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。因為壓鑄件結構較為復雜，若澆注系統及冷卻系統在設計過程中出現問題，會因為流動及凝固指向不一致，出現縮松及冷隔等缺陷，對壓鑄件力學性能及外觀造成影響。在實際生產過程中，一旦出現以上情況，就要使用大量人力及物力對問題進行解決，從而使產品生產周期變長，增加成本[1]。

2 壓鑄件數值模擬及計算方程

在實現壓鑄件沖型數值模擬時，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指的是內熱源。

連續性方程公式如下。

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技術的鋁合金汽車支架壓鑄件工藝

3.1 模擬前期處理及參數設置

在本次基于CAE技術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℃，模具預熱溫度設置在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致的。所以對凝固的規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，液態會逐漸轉變為固態，體積將會發生改變，而由于缺乏溢流槽的補縮，在這個地方就會形成縮孔，導致欠鑄情況的出現。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電機和支架；將試制完成的發電機按照裝備位置安裝到支架上；用皮帶連接發電機皮帶輪及拖動電機帶輪；在皮帶輪處貼上反光貼紙（用于轉速傳感器上的紅外反射）；標定各傳感器并安裝到相應位置（如在溫度傳感器安裝、皮帶輪反光貼紙前安裝轉速傳感器等）；連接蓄電池正極與B+端，蓄電池負極連接發電機接地端；連接調節器與蓄電池。

發電機效率試驗步驟：設定試驗臺架環境箱工作溫度為25℃，啟動試驗臺架并開始發電機預熱，設定發電機轉速為1 800 r/min，設置預熱時間為20 min，數據采集時間為10 min。在數據采集過程中共采集30組數據（15組最大扭矩、15組最小扭矩及扭矩對應得恒定電流和電壓）；再分別設定發電機的轉速為3 000 r/min、6 000 r/min及10 000 r/min。根據試驗步驟進行試驗，并采集相應的試驗數據，得到試驗結果如表1所示。

4 結束語

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