CAE分析在鋁合金壓鑄件濾波器質量提升的應用
陳國恩 譚小明 汪學陽 趙衛紅
（廣東鴻圖科技股份有限公司）
摘 要： 隨著鑄造行業的發展，鋁合金壓鑄零件的結構越來越趨向于薄壁化、復雜化。然而在高速壓射過程中，短時間內快速完成復雜型腔的填充，必然引起型腔內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部產生氣孔，造成鑄件外觀及內部質量差。良好的澆注系統及排氣系統能有效地減少填充過程中鋁液的紊流和氣體包卷。澆道系統及排氣系統設計的合理性將直接影響著整個鑄件的品質。筆者以我公司新開發的一款通訊零件濾波器為例，通過運用CAE模擬分析對方案進行模擬，分析產生氣孔缺陷的根本原因，從而采取相應的對策解決了缺陷，旨在為后續同類產品的開發提供參考和借鑒。
關鍵詞： 壓鑄；澆注系統；排氣系統；CAE模擬分析
鋁合金壓鑄件的輕量化、功能集成化的發展趨勢，導致了零件的結構多樣化、復雜化, 出現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構非常復雜的零件, 在壓鑄生產過程中，由于金屬液的快速壓入，撞擊復雜的型壁，必然產生渦流和卷氣。如果澆道系統和排溢系統設計不合理，會造成溶于鋁液中的氣體難于完全排出型腔，必然導致壓鑄件內部及表面產生氣孔缺陷。與此同時，由于零件結構的復雜，導致鋁液在快速凝固過程中不能有效的進行補縮，從而在鑄件中形成縮松[2] [3]。這類表面及內部存在氣孔與縮松的產品因不能滿足零件的技術要求，而造成零件的報廢，為企業帶來了極大的浪費。
筆者以某通訊零件濾波器為例，運用CAE對原方案進行模擬，分析缺陷存在的根本原因，提出優化的方案，有效地解決產品氣孔缺陷的問題。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的設計提供參考。
1.鑄件的基本介紹
圖1為某通訊零件濾波器的結構圖。其鑄件質量為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，內腔交錯分布著類似迷宮結構的筋條，屬于結構比較復雜的鑄件。
該零件是目前為止技術含量較高的移動通訊發射基站用的濾波器。相對于傳統濾波器，它的內腔結構更為復雜，迷宮結構多而且復雜，壁厚不均，柱臺及安裝孔多。復雜的結構，必然會導致鋁液填充不夠暢順，鑄件局部存在包卷氣體。另外該鑄件內部致密性要求較高，而且產品需要電鍍。當鑄件進行電鍍烘烤時，孔洞內氣體受熱膨脹，會導致鑄件表面起泡，所以在生產中要用適當的方法解決氣孔缺陷。因此如何減少鑄件填充成型的氣體是整個壓鑄工藝設計的難點。
基于以上對產品的分析，產品的鑄造難度大。研究該產品的澆道系統的填充與排溢系統的排氣情況是解決氣孔缺陷首先要考慮的因素。
圖1 濾波器的結構圖
2.缺陷描述
根據壓鑄試制的結果，發現鑄件左邊尾部一柱臺周邊表面分布一些不規則的氣孔。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，孔內光滑（見圖2）。經過X光機檢測發現該位置氣孔簇集在一起，并分布在柱臺周邊，X光內部質量見圖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，生產中該缺陷造成的產品報廢率達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 產品結構分析
從產品結構上分析（見圖4），左邊A區為內腔結構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，當排氣不暢就會出現高壓現象，造成熔體充填困難和注射量不足，導致鑄件C區出現組織疏松、氣孔外露的缺陷。而A區和A區與C區之間的過渡位置，由于比較接近尾部，排溢系統能排掉部分氣體，故在實際生產中沒有出現氣孔缺陷。右邊B區結構是連通水尾壁位，可以順利填充和排氣，所以在生產中沒有出現氣孔缺陷。另外，試制現場壓鑄工程師已經是在良好的工藝條件進行試制，不存在由于壓鑄工藝問題引起產品的氣孔缺陷，比如鋁液含氣量過多，噴涂過多，壓射工藝參數不合理等一系列問題。
圖4 產品結構分析
3.2 CAE模擬分析
運用MAGMA 模擬軟件對壓鑄方案進行成型模擬，從圖5的填充40%，60%，80%，100%中發現：產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，在產品的左上角出現包卷氣區域。
圖5 產品填充的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，導致產品最左邊鋁料快速封住尾部的渣包口，造成排氣不暢，形成包氣區域。另外，產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%的模擬結果對比，可以判定：經過修改澆道后，產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，在產品的左上角沒有形成包氣區域。
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
經過現場生產試制，X光內部質量見圖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% 變為0% 。通過批量生產、送樣以及用戶的檢測，產品的品質狀態符合技術要求，項目順利通過驗證并量產。
該案例是現場壓鑄工藝技術與CAE技術相結合地解決氣孔缺陷問題的典范，縮短了新產品的開發周期，大大提高了經濟效益。
圖8 改模后試制X光圖
5.結語
針對解決某通訊零件濾波器的氣孔缺陷的研究，運用MAGMA 軟件進行CAE模擬運算，分析鋁合金壓鑄生產程中的氣孔產生的原因，為模具澆注系統和排溢系統的設計提供參考依據，對提升鑄件的品質和節省成本以及縮短開發周期，提高經濟效益有一定的幫助。
由于影響鋁合金壓鑄零件氣孔產生的因素很多，涉及到壓鑄過程的方方面面，在實際生產中要注意的問題不僅僅局限以上澆注系統與排溢系統的設計的改進。
參考文獻
[1] 陳國恩,黃志垣,常移遷等. 虛擬試驗設計在局部加壓工藝改善中的應用[J].特種鑄造及有色合金，2016，36(11):1163-1165
[2] 黃勇.壓鑄模具簡明設計手冊[M].北京:學工業出版社，2009.
[3] 吳春苗.壓鑄技術手冊[M].廣東:廣東科技出版社，2007.
來源：邁格碼MAGMA
