摘 要：以某通信機箱蓋鑄件為研究對象，根據(jù)鑄件產(chǎn)品結構特點選擇合適的壓鑄工藝參數(shù)，并設計了澆注系統(tǒng)。通過CAE軟件對其充型過程、凝固過程進行數(shù)值模擬。結果表明，初始壓鑄工藝中鑄件的部分位置可能出現(xiàn)卷氣及冷隔缺陷。生產(chǎn)試模結果與初始工藝數(shù)值模擬結果基本一致，初始壓鑄工藝無法滿足生產(chǎn)要求。對初始壓鑄工藝進行優(yōu)化改進，并對優(yōu)化后的工藝方案進行數(shù)值模擬、產(chǎn)品試制，卷氣和冷隔現(xiàn)象得到大幅改善，滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求。

關鍵詞：通信機箱；鋁合金；壓鑄工藝；數(shù)值模擬

中圖分類號：TG249.2； TH142.2

文獻標識碼：A

Design and optimization of die-casting process of aluminum alloy communication

chassis cover based on numerical simulation

LIU Jun，LIU Yang，SHEN Yukang，GAO Kai

（School of Mechanical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224000，Jiangsu，China）

Abstract： Taking a communication chassis cover casting as the research object，the appropriate die-casting process parameters were selected according to the structural characteristics of the casting product and the gating system was designed. The filling process and solidification process were numerically simulated by CAE software. The results show that in the initial die casting process，there may be entrained gas and cold insulation defects in some parts of the casting.The results of the production mold trial are basically consistent with the numerical simulation results of the initial process，and the initial die-casting process cannot meet the production requirements. The initial die-casting process was optimized and improved，and the optimized process scheme was simulated numerically and the product trial production was carried out，and the phenomenon of coiling gas and cold isolation was greatly improved to meet the production quality requirements.

Key words： communication chassis; aluminum alloy; die casting process; numerical simulation

0 引 言

隨著當今機械制造業(yè)朝著輕量化、低排放的方向進行發(fā)展，鋁合金壓力鑄造在汽車、航天、通信等領域都得到了廣泛應用^［1-2］。壓鑄通信機箱作為通信基站類設備殼體件的代表性產(chǎn)品，作用是提供空間給電源、主機板、各種擴展板卡，驅動器等存儲設備，有一定的強度，具有防火、防塵、防電磁干擾和輻射的功能^［3］。一般通信機箱為鋁合金薄壁類壓鑄零件，表面質(zhì)量要求高，成形難度大，采用壓鑄成形工藝^［4］。鋁合金壓力鑄造具有產(chǎn)品成形光潔度較高、后期加工便利的特點^［5-6］。但其同時存在產(chǎn)品廢品率高、生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點^［7-8］。為了提高通信機箱生產(chǎn)質(zhì)量，本文以某通信機箱蓋鑄件為研究對象，參考設計手冊，對鑄件進行壓鑄工藝設計，應用CAE軟件進行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬及生產(chǎn)試模結果，通過增加過橋、渣包，以及添加冷卻系統(tǒng)對壓鑄工藝進行優(yōu)化，最后通過生產(chǎn)試制驗證了優(yōu)化方案的可行性。

1 產(chǎn)品結構及材料

本文以某通信機箱蓋鑄件為研究對象，三維模型如圖1所示，外形尺寸為576 mm×390 mm×84 mm，平均壁厚3 mm。該鑄件結構復雜，背板上開設大量薄壁加強筋及凸臺，前端開設一個巨大的窗口，產(chǎn)品成形難度大。通信機箱蓋材料為ADC12壓鑄鋁合金，各化學元素所占質(zhì)量百分數(shù)如表1所示，通過差熱分析（Differential Thermal Analysis， DTA）測得試驗用ADC12鋁合金的液相線溫度及固相線溫度為592 ℃和539 ℃。

2 壓鑄工藝設計

2.1 確定分型面

分型面對壓鑄模結構和壓鑄件質(zhì)量有很大影響，選擇合理的分型面能夠簡化模具結構，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率^［9］。鑄件主體為長方形大平面薄壁件，但背板上設有大量加強筋，并在前端表面設計了一個很大的窗口，對表面質(zhì)量要求較高?？紤]鑄件結構的特點，同時為了簡化模具，將分型面設置在最大投影面上，分型面如圖2所示。

2.2 澆注排溢系統(tǒng)的設計

澆注系統(tǒng)主要由直澆道、橫澆道和內(nèi)澆口組成。由于鑄件背板上開設有大量的薄壁加強筋，所以金屬液流動方向應順著加強筋方向，以防止金屬液直接沖擊加強筋，導致加強筋發(fā)生形變。澆注系統(tǒng)采用多支流道進料，將內(nèi)澆口設置于鑄件遠離窗口的短邊位置，防止金屬液直接沖擊窗口部位產(chǎn)生渦流使鑄件充填困難。同時，減少鋁液填充時間，避免生產(chǎn)時出現(xiàn)卷氣、冷隔、熔接痕等缺陷。該鑄件內(nèi)澆口截面積為450 mm²，根據(jù)生產(chǎn)需要計算鎖模力，選擇力勁DCC1250壓鑄機，取直徑為120 mm的活塞。

排溢系統(tǒng)采用集渣效果較好的梯形溢流槽，在窗口部位、鑄件末端以及側邊位置放置溢流槽，對充型過程中的前端冷污金屬、金屬液回流和渦流進行收集，提高澆注效果，減少壓鑄缺陷。澆注排溢系統(tǒng)見圖3。

3 數(shù)值模擬結果分析

在壓鑄工藝數(shù)值模擬中，首先將帶有澆排系統(tǒng)的壓鑄件三維模型保存為Stl格式并導入CAE軟件AnyCasting中，模具材料選擇H13模具鋼；根據(jù)鑄件特征以及查閱設計手冊對壓鑄工藝參數(shù)進行設置，包括模具澆注溫度、模具預熱溫度、慢壓射速度、快壓射速度、快慢壓射行程等工藝參數(shù)，采用的具體壓鑄工藝參數(shù)如表3所示。

3.1 充型過程模擬

使用CAE軟件對鑄件初始壓鑄工藝進行模擬，充型結果如圖4所示。從模擬結果可以看出，金屬液首先進入直澆道，在時間t=0.139 7 s時，金屬液進入橫澆道；在t=0.252 6 s時，金屬液進入橫澆道后，通過多支流道進行分流，通過內(nèi)澆口進入鑄件型腔；在t=0.274 9 s時，前端金屬液對鑄件充填超過一半，金屬液對鑄件加強筋部分完成充填并繼續(xù)向前進行充填；在t=0.293 9 s時，金屬液充填至窗口位置，并通過窗口兩側對鑄件前端進行充填；在t=0.306 7 s時，窗口兩側的金屬液到達前端并開始匯流，對窗口前側及側邊進行金屬液補充；在t=0.319 4 s時，金屬液充填完畢，型腔被全部充填。從整個充型過程來看，金屬液充填靠近窗口位置及窗口前端時，金屬液充型不穩(wěn)定，存在一定的飛濺、渦流，可能會出現(xiàn)卷氣、冷隔等缺陷。

3.2 凝固過程模擬

通過模擬軟件可以查看并分析鑄件凝固順序和凝固過程中是否存在熱節(jié)區(qū)域及孤立液相區(qū)，有助于對冷隔、縮松等缺陷的預測，鑄件凝固過程如圖5所示。從圖5（a）可以看出，金屬液最先在鑄件底部薄壁加強筋處開始凝固；在圖5（b）中。溫度下降的同時，鑄件底部及邊緣地區(qū)也開始進行凝固；在圖5（c）中，窗口部位開始凝固，凝固區(qū)域接近一半；在圖5（d）中鑄件主體大部分已經(jīng)凝結，但鑄件兩側壁厚較大處凝固較慢，可能為熱節(jié)區(qū)域；在圖5（e）中，隨著溫度進一步降低，鑄件主體基本完成凝固，未出現(xiàn)孤立液相區(qū)域，但鑄件熱節(jié)特征可能依然存在。在圖5（f）中，鑄件完全凝固。通過軟件對熱節(jié)可能出現(xiàn)的位置進行模擬分析，結果如圖6所示，預測鑄件熱節(jié)可能出現(xiàn)鑄件側邊及鑄件澆注前端位置。

3.3 缺陷預測

根據(jù)充填模擬過程分析，認為在鑄件靠近窗口區(qū)域處會由于金屬液直接沖擊窗口而導致金屬液產(chǎn)生一定的飛濺和渦流現(xiàn)象，可能會出現(xiàn)卷氣，產(chǎn)生氣孔缺陷；在窗口后方，鑄件末端位置由于金屬液進行填充時先對底部進行填充，底部填充完全時才會沿著側壁進行充填，由于窗口兩側區(qū)域較窄，可能對窗口后方側壁填充不及時，導致新填充的金屬液與底部已填充的金屬液接觸時無法熔合，出現(xiàn)冷隔缺陷。根據(jù)凝固模擬過程分析，鑄件前端和兩側區(qū)域容易出現(xiàn)熱節(jié)，通過模擬結果分析，預測鑄件熱節(jié)位置在鑄件側邊及鑄件澆注前端位置，為鑄件最后凝固區(qū)域，可能為熱節(jié)產(chǎn)生位置。采用初始鑄造工藝進行生產(chǎn)試鑄，對鑄件進行檢測，實際產(chǎn)生缺陷位置與通過模擬結果預測的缺陷位置基本一致，證實了初始壓鑄工藝模擬結果的可靠性，圖7為鑄件實物缺陷圖。

4 鑄造工藝方案優(yōu)化

4.1 工藝優(yōu)化措施

從初始鑄造工藝凝固過程來看，鑄件完全凝固所需時間過長，由于原始冷卻方式為室溫自然冷卻，導致凝固時間順序不合理，鑄件兩側及前端易出現(xiàn)熱節(jié)。因此需要增加冷卻系統(tǒng)來使凝固順序合理，冷卻方式為水冷。從充填過程和生產(chǎn)試模結果來看，由于金屬液直接沖擊窗口位置及對鑄件末端充填不及時，導致卷氣、冷隔現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，應該在窗口處設置過橋并在鑄件末端兩側設置溢流槽，通過過橋避免金屬液直接沖擊窗口，并對鑄件末端及時充填；通過溢流槽對前端冷料進行及時收集，提高充填效果。具體優(yōu)化方案見圖8。

4.2 工藝優(yōu)化模擬分析

對初始壓鑄工藝進行優(yōu)化后進行數(shù)值模擬分析，充型過程如圖9所示，經(jīng)過在窗口處開設過橋，金屬液在充填到窗口前端時通過過橋穩(wěn)定地對鑄件末端進行充填，避免了金屬液直接沖擊窗口產(chǎn)生渦流，導致卷氣的產(chǎn)生，同時金屬液也通過過橋及時對鑄件末端進行充填，避免由于金屬液充填不及時而導致的冷隔現(xiàn)象。在鑄件末端兩側增加溢流槽，及時地對金屬液前端冷料進行及時收集，提高了鑄件充填效果。凝固過程如圖10所示。通過增加冷卻水路，通信機箱底面薄壁筋條和鑄件末端溢流槽部位最先開始凝固，其次是窗口及機箱平面部位，澆口附近厚壁處為最后凝固處，滿足凝固順序的原則，避免了熱節(jié)區(qū)域的出現(xiàn)。

4.3 生產(chǎn)驗證

為進一步驗證優(yōu)化后的鑄造工藝方案的可靠性，采用優(yōu)化工藝方案對鑄件進行了試模生產(chǎn)，鑄件產(chǎn)品實物圖如圖11所示。經(jīng)檢驗，產(chǎn)品筋條充填飽滿，產(chǎn)品表面沒有冷隔、欠鑄、氣孔等鑄造缺陷，與數(shù)值模擬結果相符合，說明壓鑄工藝參數(shù)合理，澆注排溢系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)設計合理，可以為實際生產(chǎn)提供參考，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

5 結 論

（1） 針對某通信機箱蓋鑄件結構特征進行工藝分析，選擇合理的壓鑄工藝參數(shù)并設計澆注排溢系統(tǒng)。

（2） 應用CAE軟件對初始鑄造工藝方案的充型、凝固過程進行了數(shù)值模擬分析。結果表明，充型過程有一定的飛濺、渦流現(xiàn)象，可能導致卷氣、冷隔現(xiàn)象的發(fā)生。凝固過程沒有按照凝固順序進行凝固，澆口附近及鑄件兩側為熱節(jié)區(qū)域。生產(chǎn)試模結果與數(shù)值模擬結果，因此對鑄造工藝進行優(yōu)化，以消除缺陷。

（3） 通過在鑄件窗口處開設過橋、兩側增加溢流槽及增加冷卻水路對鑄造工藝方案進行優(yōu)化。通過對優(yōu)化后的鑄造工藝方案進行數(shù)值模擬、生產(chǎn)驗證，最終得到了合理鑄造工藝方案，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

參考文獻：

［1］盧善周，蘇小平，朱慧明.鋁合金制動器隔離盤低壓鑄造的數(shù)值模擬及優(yōu)化［J］.熱加工工藝，2022，51（19）：66-68，72.

LU S Z，SU X P，ZHU H M. Numerical simulation and optimization of low-pressure casting of aluminum alloy brake isolation disk ［J］. Hot Working Technology， 2022，51（19）：66-68，72.

［2］張夢琪，馮典東，韓英，等.汽車輪轂支架的鑄造工藝模擬及優(yōu)化［J］.鑄造技術，2021，42（9）：793-796.

ZHANG M Q，ZHANG D D，HAN Y，et al. Simulation and optimization of casting process of automobile wheel hub bracket ［J］. Foundry Technology， 2021，42（9）：793-796.

［3］韓艷霞.機載通信設備的機箱結構設計淺析［J］.科技創(chuàng)新導報，2020，17（9）：120，122.

HAN Y X. Analysis of chassis structure design of airborne communication equipment ［J］. Science and Technology Innovation Herald， 2020，17（9）：120，122.

［4］文波，夏志單，季珊林，等.復雜薄壁框類鋁合金鑄件工藝設計及數(shù)值模擬［J］.特種鑄造及有色合金，2018，38（7）：768-771.

WEN B，XIA Z D，JI S L，et al. Casting method design and numerical simulation of complex thin-wall frame aluminum castings ［J］. Special Casting amp; Nonferrous Alloys， 2018，38（7）：768-771.

［5］田運燦，胡詩欽，茹中赟，等.基于數(shù)值模擬的鋁合金差壓鑄造過程工藝優(yōu)化［J］.模具技術，2022（5）：20-26.

TIAN Y C，HU S Q，RU Z Y，et al. Optimization of counter-pressure casting process of aluminum alloy based on numerical simulation ［J］. Die and Mould Technology， 2022（5）：20-26.

［6］李勇，汪勇，汪瑞東，等.下殼體鑄件鑄造工藝設計［J］.鑄造，2017，66（11）：1172-1174，1177.

LI Y，WANG Y，WANG R D，et al. Casting process design of the bottom shell ［J］. Foundry， 2017，66（11）：1172-1174，1177.

［7］李宏杰，張君，王保華.ADC12-0.15V0.03In鋁合金箱蓋的壓鑄工藝優(yōu)化［J］.熱加工工藝，2021，50（13）：83-86.

LI H J，ZHANG J，WANG B H. Optimization of die-casting technology of ADC12-0.15V0.03In aluminum alloy box cover ［J］. Hot Working Technology， 2021，50（13）：83-86.

［8］黃永歡，季火績，丁杰，等.基于MAGMA的地鐵電機端蓋鑄造工藝優(yōu)化設計［J］.鑄造，2017，66（4）：418-419，422.

HUANG Y H，JI H J，DING J，et al. Casting process optimization design of metro motor end cover based on MAGMA ［J］. Foundry， 2017，66（4）：418-419，422.

［9］李春玲.基于ProCast分析的汽車輪轂成型工藝及模具設計［J］.模具技術，2020（4）：19-27.

LI C L. Analysis of forming process and die design for automobile wheel hub based on procast ［J］. Die and Mould Technology， 2020（4）：19-27.