【壓鑄工藝改善】數值模擬的自動優化，在壓鑄件品質改善中的應用

邁格碼發表于2022/11/11 10:23:38 鋁合金壓鑄模擬自動優化

標題：數值模擬的自動優化在凸輪軸支架品質改善中的應用

摘要：本文針對某發動機的凸輪軸支架在試制階段出現了氣孔及漏氣等缺陷，借助數值模擬軟件的自動優化功能，以減少產品熱節為目標，對工藝參數進行了模擬分析，找出最佳的工藝組合方案。采用優化的工藝方案進行試制，解決了產品的缺陷，提高了鑄件的品質，縮短了開發周期。實踐結果表明借助數值模擬的自動優化功能可以快速準確的提供解決方案，在解決實際問題中起到積極的作用。

隨著汽車行業節能降耗、低排放的要求，汽車零部件呈現了質量輕量化、性能集成化的發展趨勢，使得鑄件的結構愈來愈復雜,質量要求愈來愈高，給壓鑄生產帶來了更多新的挑戰。影響壓鑄件質量的因素眾多，不同的方案，不同的參數得到不同質量的鑄件。目前行業內在產品質量改善中往往采用“試錯法”，即通過不斷的修模、試制、驗證的過程找尋其間的規律，直至產品質量合格。這種操作方法會導致在產品開發過程中出現多次試制，耗費了較多的人力、物力和時間。

本文以某一款凸輪軸支架的品質改善為例，在優化澆注系統后，通過軟件的自動優化功能，以高速速度為變量，以較小的熱節點為目標，通過迭代運算，輸出最佳的工藝組合方案。并以此方案為指引進行試制，試制結果表明選用自動優化后的參數驗證，產品質量合格，縮短了調試時間。

1、產品簡介及質量信息

該產品為某汽車發動機的凸輪軸支架，結構圖見圖1所示。鑄件要求使用的鋁合金材料為JIS H5302 ADC12，其基本尺寸為480mm×235mm×87mm，鑄件的平均壁厚為3.5mm。因產品的功能要求，對產品需要做氣密性檢測。油道部分要求在0.3Mpa的氣壓下無泄漏，腔體部分要求在0.1Mpa的氣壓下無泄漏。

圖1 凸輪軸支架結構圖

產品經過首次試制，檢測發現在螺紋預鑄孔側壁有較大的縮孔，內部質量不合格。對缺陷處進行剖切，如圖2所示，紅色線框標示處有縮孔。根據首次試制的參數以及模型進行模擬，結果顯示缺陷位置因產品壁厚過厚，相對凝固時間較長，形成大的熱節，最后導致縮孔。實際缺陷與模擬結果的對比如圖2所示。基于上述原因，需從調整鑄件的澆注方案、凝固順序等方面著手改善。

圖2 產品缺陷圖片及模擬熱節點

2、方案自動優化模擬分析

針對以上的分析，準備從2個方面進行改進。首先在保證零件成型的前提下，對澆注方案進行優化。由于縮孔的形成原因是產品壁厚較厚，增加后難以補縮，所以在澆注系統優化上先縮小熱節處的澆口面積，減少流經熱節點處的鋁料，降低模具升溫的幅度。修改后的方案對比圖見圖3所示。其次，澆注系統更改后，與之相匹配的工藝參數也要隨之變化。在本案例中，以高速速度為變量，以較小的熱節值為目標，結合軟件的優化功能讓軟件自動運算，輸出判定結果。圖4為設計高速速度為變量的設定圖示。

圖3 澆注方案優化對比圖

圖4 壓鑄工藝參數優化設計圖

圖5為自主優化的模擬結果。圖5a中每一條彩色線段為一組工藝參數方案，共5個豎軸，從左至右分為高速變化區間，壓射方案變化區間，成型溫度結果范圍，內澆口速度范圍和熱節時間范圍。通過拖動每個豎軸上下兩端的箭頭來獲得最佳的工藝方案，例如想要最低熱節時間，往下拖動豎軸上端箭頭，最后得到最小的熱節時間為方案1，同時方案1的成型溫度也較高，內澆口速度相對較低。圖5b左豎軸為熱節時間范圍，右豎軸為成型溫度結果范圍，下橫軸為全部工藝方案，通過觀察溫度和熱節時間的變化曲線，可以發現方案1的成型溫度相對較高，熱節時間最短。圖5c最上一排為熱節時間根據不同方案和高速速度的變化規律，第二排為內澆口速度根據不同方案和高速速度的變化規律，第三排為成型溫度根據不同方案和高速速度的變化規律，右一豎排為高速速度的變化范圍，右二豎排為幾何方案的變化范圍，以熱節時間結果為例，該結果時間變長隨著從方案一切換到方案二，同時其總體趨勢隨著高速速度的提升而變長，所以通過觀察其變化規律，從而抓出最準確的方案與工藝參數。綜合以上所述，在保證成型溫度的基礎上，采用相對較低的壓射速度并配合壓射方案一，可以獲得最小的熱節時間，通過減小熱節時間，從而降低實際生產中所出現的凝固收縮類缺陷。