李璐,馬志敏

（萬安科技股份有限公司，浙江紹興 311800）

隨著當(dāng)前社會發(fā)展與環(huán)境、資源之間矛盾的日益加劇，作為制造業(yè)支柱之一的汽車行業(yè)也必須跟隨時代的發(fā)展，對高污染、高能耗發(fā)動機(jī)的改進(jìn)變得越來越迫切。新能源發(fā)動機(jī)也呼之欲出，新能源發(fā)動機(jī)動力主要以電能為主，優(yōu)點(diǎn)在于低排放、低噪音。大力發(fā)展新能源發(fā)動機(jī)，對解決我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的能源和環(huán)保問題具有重大現(xiàn)實(shí)意義。輕量化、低排放的新能源發(fā)動機(jī)自然成為了各汽車企業(yè)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(qiáng)度、比剛度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天行業(yè)，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(qū)動電機(jī)的鋁合金電機(jī)殼的低壓鑄造工藝進(jìn)行CAE分析，并結(jié)合工藝技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)，對工藝方案作出調(diào)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(chǎn)生。

1 定子殼體總成開發(fā)過程中難題

某型電機(jī)定子殼體總成內(nèi)腔為封閉式水道，為某公司生產(chǎn)的新型汽車電驅(qū)動電機(jī)定子殼體，目前正處于開發(fā)驗(yàn)證階段。內(nèi)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(yù)知的縮松缺陷產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，這個難題需要借助工藝開發(fā)人員和CAE模擬軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，對低壓鑄造成形過程進(jìn)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(shè)計(jì)出來的工藝方案進(jìn)行充型、凝固模擬分析，依據(jù)模擬分析結(jié)果確定應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的最優(yōu)工藝方案。

2.2 設(shè)定鑄造工藝參數(shù)

材料選用的是美標(biāo)牌號對應(yīng)中國標(biāo)準(zhǔn)牌號ZL101A，其熱物性參數(shù)如表1所示。

2.3 凝固模擬結(jié)果分析

凝固缺陷預(yù)測結(jié)果及分析用Anycasting概率缺陷參數(shù)模塊中的殘余熔體模數(shù)來預(yù)測缺陷的產(chǎn)生，為減小初始條件設(shè)置誤差對模擬準(zhǔn)確性的影響，分析是在6次循環(huán)之后得到的結(jié)果。采用概率缺陷參數(shù)之殘余熔體體積分析其縮松情況，凝固過程數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示，對凝固模擬結(jié)果分析后得出，鑄件凝固過程中存在以下特點(diǎn)：整體上看，鑄件達(dá)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(nèi)側(cè)厚大部位，由于壁厚變化較大，補(bǔ)縮通道斷開了（見圖1c），這導(dǎo)致了孤立液體收縮得不到補(bǔ)縮而產(chǎn)生了縮松、縮孔。

圖1 凝固順序

表1 合金的熱物性參數(shù)和仿真的澆注工藝參數(shù)

3 缺陷分析與工藝整改措施

3.1 分析產(chǎn)生縮松原因，完善工藝方案

由鑄件的凝固結(jié)果可知，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的選擇使得凝固過程中產(chǎn)生較多的縮孔、縮松。由圖1c可知，補(bǔ)縮通道斷開了，補(bǔ)縮不充分，所以需要在一定程度上提高其補(bǔ)縮能力，在縮松部位增加4個暗冒口再次進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2 優(yōu)化工藝方案模擬結(jié)果

金屬液在型腔中的凝固時間設(shè)定為184.0438s（如圖2），由優(yōu)化后的凝固模擬結(jié)果（圖2b、c）可知，沒有發(fā)現(xiàn)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(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)（如圖2d所示）。

圖2 凝固順序

圖3 鑄件實(shí)物

4 結(jié)語

基于流體力學(xué)傳熱學(xué)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(shù)預(yù)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(jié)合,實(shí)現(xiàn)了鑄造成型過程從宏觀缺陷到微觀組織進(jìn)行完整的模擬。以某型鋁合金電機(jī)殼體的模具設(shè)計(jì)為例,證明了該模擬方法能夠指導(dǎo)模具工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減少反復(fù)修模、試模所造成的資源和能源浪費(fèi)[3]，提高工藝成品率，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的參考價值，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。