CAE分析在鋁合金壓鑄件濾波器質(zhì)量提升的應(yīng)用
陳國恩 譚小明 汪學(xué)陽 趙衛(wèi)紅
（廣東鴻圖科技股份有限公司）
摘 要： 隨著鑄造行業(yè)的發(fā)展，鋁合金壓鑄零件的結(jié)構(gòu)越來越趨向于薄壁化、復(fù)雜化。然而在高速壓射過程中，短時間內(nèi)快速完成復(fù)雜型腔的填充，必然引起型腔內(nèi)鋁液的紊流和氣體包卷。如果排氣不暢通，容易在鑄件表面及內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，造成鑄件外觀及內(nèi)部質(zhì)量差。良好的澆注系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)能有效地減少填充過程中鋁液的紊流和氣體包卷。澆道系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)設(shè)計的合理性將直接影響著整個鑄件的品質(zhì)。筆者以我公司新開發(fā)的一款通訊零件濾波器為例，通過運(yùn)用CAE模擬分析對方案進(jìn)行模擬，分析產(chǎn)生氣孔缺陷的根本原因，從而采取相應(yīng)的對策解決了缺陷，旨在為后續(xù)同類產(chǎn)品的開發(fā)提供參考和借鑒。
關(guān)鍵詞： 壓鑄；澆注系統(tǒng)；排氣系統(tǒng)；CAE模擬分析
鋁合金壓鑄件的輕量化、功能集成化的發(fā)展趨勢，導(dǎo)致了零件的結(jié)構(gòu)多樣化、復(fù)雜化, 出現(xiàn)了較多壓鑄工藝性較差，壁厚不均的零件[1]。這類壁厚差別非常大而結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零件, 在壓鑄生產(chǎn)過程中，由于金屬液的快速壓入，撞擊復(fù)雜的型壁，必然產(chǎn)生渦流和卷氣。如果澆道系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)設(shè)計不合理，會造成溶于鋁液中的氣體難于完全排出型腔，必然導(dǎo)致壓鑄件內(nèi)部及表面產(chǎn)生氣孔缺陷。與此同時，由于零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，導(dǎo)致鋁液在快速凝固過程中不能有效的進(jìn)行補(bǔ)縮，從而在鑄件中形成縮松[2] [3]。這類表面及內(nèi)部存在氣孔與縮松的產(chǎn)品因不能滿足零件的技術(shù)要求，而造成零件的報廢，為企業(yè)帶來了極大的浪費(fèi)。
筆者以某通訊零件濾波器為例，運(yùn)用CAE對原方案進(jìn)行模擬，分析缺陷存在的根本原因，提出優(yōu)化的方案，有效地解決產(chǎn)品氣孔缺陷的問題。本文為此類壓鑄零件的缺陷解決提供方法與思路，同時也為模具澆注與排溢系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。
1.鑄件的基本介紹
圖1為某通訊零件濾波器的結(jié)構(gòu)圖。其鑄件質(zhì)量為3kg，材料牌號為DC01。鑄件基本尺寸為414mm×333mm×38mm，壁厚最大4mm，壁厚最薄2mm，平均壁厚為3mm，內(nèi)腔交錯分布著類似迷宮結(jié)構(gòu)的筋條，屬于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的鑄件。
該零件是目前為止技術(shù)含量較高的移動通訊發(fā)射基站用的濾波器。相對于傳統(tǒng)濾波器，它的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，迷宮結(jié)構(gòu)多而且復(fù)雜，壁厚不均，柱臺及安裝孔多。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必然會導(dǎo)致鋁液填充不夠暢順，鑄件局部存在包卷氣體。另外該鑄件內(nèi)部致密性要求較高，而且產(chǎn)品需要電鍍。當(dāng)鑄件進(jìn)行電鍍烘烤時，孔洞內(nèi)氣體受熱膨脹，會導(dǎo)致鑄件表面起泡，所以在生產(chǎn)中要用適當(dāng)?shù)姆椒ń鉀Q氣孔缺陷。因此如何減少鑄件填充成型的氣體是整個壓鑄工藝設(shè)計的難點(diǎn)。
基于以上對產(chǎn)品的分析，產(chǎn)品的鑄造難度大。研究該產(chǎn)品的澆道系統(tǒng)的填充與排溢系統(tǒng)的排氣情況是解決氣孔缺陷首先要考慮的因素。
圖1 濾波器的結(jié)構(gòu)圖
2.缺陷描述
根據(jù)壓鑄試制的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鑄件左邊尾部一柱臺周邊表面分布一些不規(guī)則的氣孔。氣孔直徑最大的有3mm，最小的有0.5mm，氣孔呈圓形和橢圓形居多，個別呈長條形，孔內(nèi)光滑（見圖2）。經(jīng)過X光機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)該位置氣孔簇集在一起，并分布在柱臺周邊，X光內(nèi)部質(zhì)量見圖3所示。因此可以初步判斷該氣孔缺陷是由于氣體集聚造成的，生產(chǎn)中該缺陷造成的產(chǎn)品報廢率達(dá)27.8% 。
圖2 氣孔缺陷圖
圖3 X光氣孔缺陷圖
3.氣孔缺陷的原因分析
3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析
從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分析（見圖4），左邊A區(qū)為內(nèi)腔結(jié)構(gòu)與水尾壁位之間形成避空，鋁液填充到此位置碰到模具型壁形成包卷，影響鋁料充填及排氣，當(dāng)排氣不暢就會出現(xiàn)高壓現(xiàn)象，造成熔體充填困難和注射量不足，導(dǎo)致鑄件C區(qū)出現(xiàn)組織疏松、氣孔外露的缺陷。而A區(qū)和A區(qū)與C區(qū)之間的過渡位置，由于比較接近尾部，排溢系統(tǒng)能排掉部分氣體，故在實際生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)氣孔缺陷。右邊B區(qū)結(jié)構(gòu)是連通水尾壁位，可以順利填充和排氣，所以在生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)氣孔缺陷。另外，試制現(xiàn)場壓鑄工程師已經(jīng)是在良好的工藝條件進(jìn)行試制，不存在由于壓鑄工藝問題引起產(chǎn)品的氣孔缺陷，比如鋁液含氣量過多，噴涂過多，壓射工藝參數(shù)不合理等一系列問題。
圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析
3.2 CAE模擬分析
運(yùn)用MAGMA 模擬軟件對壓鑄方案進(jìn)行成型模擬，從圖5的填充40%，60%，80%，100%中發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)品的左半邊填充比右半邊慢；并且澆口1填充速度比澆口2填充速度快，在產(chǎn)品的左上角出現(xiàn)包卷氣區(qū)域。
圖5 產(chǎn)品填充的CAE分析
4.缺陷改善
4.1 解決缺陷措施
從MAGMA模擬看，澆道1填充速度過快，澆道2填充速度過慢，導(dǎo)致產(chǎn)品最左邊鋁料快速封住尾部的渣包口，造成排氣不暢，形成包氣區(qū)域。另外，產(chǎn)品左半邊填充比右半邊慢。我們提出的改善方案是澆道1封一半降低其填充速度，澆道2向左加寬5mm，加快其填充速度，使產(chǎn)品左右兩邊填充趨向平衡。另外為了改善排氣，渣包3、4開通排氣通道，讓產(chǎn)品左右兩邊角位的氣體直接排到模具的排氣板（見圖6）。
圖6 方案改善圖
4.2 改善方案的CAE分析
我們把改善方案放在MAGMA軟件中進(jìn)行CAE模擬，通過分析原來方案與改善方案填充的40% ，60% ，80% ，100%的模擬結(jié)果對比，可以判定：經(jīng)過修改澆道后，產(chǎn)品左半邊填充速度比原來快了，并且左半邊和右半邊填充趨向平衡，而且澆口1填充比澆口2填充慢了，在產(chǎn)品的左上角沒有形成包氣區(qū)域。
圖7 原方案與改善方案CAE分析對比圖
4.3 改善效果的驗證
經(jīng)過現(xiàn)場生產(chǎn)試制，X光內(nèi)部質(zhì)量見圖8所示，缺陷位置沒有氣孔存在。該位置由于氣孔造成的報廢率由原來的27.8% 變?yōu)?% 。通過批量生產(chǎn)、送樣以及用戶的檢測，產(chǎn)品的品質(zhì)狀態(tài)符合技術(shù)要求，項目順利通過驗證并量產(chǎn)。
該案例是現(xiàn)場壓鑄工藝技術(shù)與CAE技術(shù)相結(jié)合地解決氣孔缺陷問題的典范，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。
圖8 改模后試制X光圖
5.結(jié)語
針對解決某通訊零件濾波器的氣孔缺陷的研究，運(yùn)用MAGMA 軟件進(jìn)行CAE模擬運(yùn)算，分析鋁合金壓鑄生產(chǎn)程中的氣孔產(chǎn)生的原因，為模具澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)的設(shè)計提供參考依據(jù)，對提升鑄件的品質(zhì)和節(jié)省成本以及縮短開發(fā)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益有一定的幫助。
由于影響鋁合金壓鑄零件氣孔產(chǎn)生的因素很多，涉及到壓鑄過程的方方面面，在實際生產(chǎn)中要注意的問題不僅僅局限以上澆注系統(tǒng)與排溢系統(tǒng)的設(shè)計的改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳國恩,黃志垣,常移遷等. 虛擬試驗設(shè)計在局部加壓工藝改善中的應(yīng)用[J].特種鑄造及有色合金，2016，36(11):1163-1165
[2] 黃勇.壓鑄模具簡明設(shè)計手冊[M].北京:學(xué)工業(yè)出版社，2009.
[3] 吳春苗.壓鑄技術(shù)手冊[M].廣東:廣東科技出版社，2007.
來源：邁格碼MAGMA
