原標題：電動汽車水泵壓鑄件水冷鑲塊水道數值模擬與優化設計

壓鑄是獲得高精度和低表面粗糙度鋁合金鑄件的一種高效成形方法，但在壓鑄件中常出現縮孔、縮松和夾雜等缺陷，極大降低了鑄件的力學性能。常用于壓鑄的ADC12鋁合金為Al-Si-Cu系鋁合金，合金中Cu作為強化元素，能固溶于鋁基體中或形成合金相（主要是Al2Cu相和Al5Cu2Mg8Si6相）。材料凝固具有較寬的溫度區間，在內部晶核形成的同時枝晶生長，形成孤立液相區，這些液相區最終易形成分散的縮松縮孔缺陷。在外部其凝固溫度的不一致，易導致材料表面的翹曲變形，進而影響其粗糙度。為此，國內外研究者展開了大量的研究。目前采用較多的方法是在模具內增設冷卻水道，保證鑄件順序均勻凝固的同時，減少縮松縮孔缺陷發生的可能性。研究者針對上滑塊無法設置冷卻水道的問題，進行了結構優化，最終使冷卻能力提高了近100%，并有效解決了因擦傷帶來的鑄件缺陷。針對電動汽車鋁合金副車架結構壁厚不均造成的低壓鑄造缺陷，局部增加冷卻鑲塊來消除孤立液相，最終能使得鋁合金冷卻順序凝固，提高了內部組織的致密度及鑄件質量。采用分級模溫通水設計，在其內部設計冷卻通道和點冷卻裝置，實現了鑄件成形區域的溫度平衡。根據殼體壓鑄件的結構特點，采用點冷和冷卻水道相結合的措施，得到的鑄件溫度分布較均勻，溫度梯度變化較小。為了避免零件凝固后的翹曲變形，基于塑料加工迭代優化冷卻水道布局的程序運用到壓鑄工藝里面，最終優化好的水道設計能生產比傳統模具翹曲更小的零件。研究冷卻水道與模具/嵌件界面之間距離的影響，以及水流速率與界面處接觸壓力的影響，進而通過數值模擬來幫助優化設計，得到合理的冷卻水道。

壓鑄冷卻過程涉及多種傳熱現象，主要是傳導傳熱、對流傳熱及輻射傳熱，熔體冷卻過程的大部分熱量是通過冷卻劑的對流傳熱散失，剩余少部分熱量才是通過模具外壁自然對流或熱輻射等方式散失。有研究者利用有限元模擬得到了模具熱應力、熱疲勞和鑄件凝固分數隨冷卻排布間隔變化的規律，以為錐形件壓鑄模具冷卻水道設計提供依據。對比傳統冷卻技術與隨形冷卻技術在冷卻過程的差異性，得出了冷卻水道直徑、冷卻水道中心距模具壁面的距離、兩相鄰冷卻水道距離這3個因素對于模具冷卻起最主要影響。

本研究采用鑄造模流軟件對水泵壓鑄件的充型凝固過程進行數值建模與分析，對比分析傳統冷卻直道與隨形冷卻水道的模擬結果，得出其對缺陷影響的程度。隨后將隨形冷卻水道系統用于實際生產，X射線探傷觀察鑄件成形質量，旨在為相關生產提供參考。

圖文結果

水泵座壓鑄件材質為ADC12鋁合金，其化學成分見表1。壓鑄模具材質為H13鋼。圖1為H13鋼的熱物性變化情況。水泵座的輪廓尺寸為145.7mm×135.1mm×136.3mm，體積為264477.3mm3，質量約為0.71kg，水泵壓鑄件三維模型及壓鑄模具見圖2。

用UG檢查功能檢測水泵壓鑄件壁厚（水泵座＋流道＋料餅＋溢流槽），水泵壓鑄件正面、側面、反面壁厚見圖3。可知壓鑄件平均壁厚為4.78mm，最大厚度為23mm，最小厚度約為1.9mm。除開流道、料餅和溢流槽，水泵座部分壁厚分布不均勻，有7處超過11.5mm的大壁厚（見圓圈標注），主要集中于凹凸結構過渡區域、泵座底部和碗形深腔頂部。

表1 ADC12合金的化學成分(%)

圖1 H13鋼特性與溫度關系圖

圖2 水泵壓鑄件三維模型及壓鑄模

圖3 水泵壓鑄件三面壁厚

針對于碗形深腔頂部增加水道設計，見圖4。該處連接著兩個內澆口，是除了料餅之外，最早受到金屬液充型的地方。其頂部壁厚也是整個水泵座最厚的部位之一，需要在此處設計冷卻水道，避免鑄件表面的翹曲變形和內部縮松縮孔缺陷的發生。設計水道直徑過大會使流速變慢，雷諾數降低，傳熱系數降低。過小會導致流速變快、冷卻水道間隔太小，導致散熱不好，進而導致產品局部產生缺陷。

（1）傳統冷卻水道方案

采用直線型，通常是直接在模板和模芯中鉆孔得到，具有結構簡單、加工成本低等特點。原有的冷卻系統就是針對水泵壓鑄件大壁厚部位布置的冷卻水道，共有6條直通水道。在原有傳統冷卻系統基礎上，根據深腔頂部中空的結構特征，增設傳統冷卻直道（圖4中圓圈標注）。

（2）隨形冷卻水道方案

由于深腔頂部的結構復雜，傳統冷卻直道無法在內腔進行有效布局，進而無法獲得均勻的溫度梯度，影響了鑄件品質。為了解決這個問題，在模具水冷鑲塊內腔增設隨形冷卻水道。冷卻水道的建模大致分為：確定冷卻水道的尺寸和傳熱系數、確定水道中心線和生成冷卻水道。

圖5為水道離型腔間距與模具熱變形量關系圖。可以看出，控制水道離型腔間距在11~13mm之間，模具熱變形量趨于極小值，能夠有效平衡熱梯度以及提高模具使用次數。

圖4 增設傳統冷卻水道方案

圖5 水道離型腔間距與模具熱變形量關系圖

為了統一冷卻水道相關工藝參數，采用正交試驗得到影響鑄件冷卻均勻性的參數（水道直徑、水道離型腔間距、水流速度和傳熱系數）范圍優化值。模擬采用傳統水道方案里的模型，因變量取最終凝固時深腔頂部兩點總冷卻時間差值，選擇望小特性，4因素3水平試驗表見表2。得到的冷卻水道范圍優化工藝參數：水道直徑為3.5mm、水道離型腔間距為12mm、水流速度為2.5 L/min、傳熱系數為3500W/（m2·K）。

提取鑄件深腔凹模的邊緣線一定距離（h=8mm），充分考慮模具深腔頂部圓角處的應力分布及傳熱效應，以凹模頂部圓角位置作為基點，用離型腔距離確定其布置水道的中心點；然后同確定好的水道直徑4.5mm畫圓，在類球殼界面上做螺旋式引導，并與沿著頂部正中心及重力方向的輪廓線相連接，使其覆蓋深腔頂部型腔，見圖6。采用圓形的水道截面和緊貼內腔形狀的多層螺旋型結構，可以達到接觸面均勻冷卻的效果。

表2 L9（34）正交試驗表

圖6 增設隨形冷卻水道方案

首先用UG建立簡易的活塞、壓室和模具，將其連同冷卻水道（傳統冷卻直道和隨形冷卻水道）和水泵壓鑄件（水泵座＋流道＋料餅＋溢流槽）一塊裝配，然后在模流軟件界面進行面網格和體網格劃分。設置鑄件面網格尺寸為1mm，冷卻水道面網格尺寸為1.5mm，活塞、壓室和模具面網格尺寸為4mm。帶有傳統冷卻直道的有限元模型面網格數量為127076，體網格數量約為245萬，帶有隨形冷卻水道的有限元模型面網格數量為129052，體網格數量約為233萬。有限元模型見圖7。模擬的工藝參數包括澆注溫度為640℃，模具預熱溫度為240℃，活塞快壓射速度為3 m/s，慢壓射速度為0.3m/s，壓室高度為300 mm，可以得到快壓射時間為0.018s，慢壓射時間為0.818s。其活塞運動速度與時間曲線見圖8。

圖7 有限元模型

圖8 活塞運動速度與時間關系圖

用模流軟件中的void預測模型充型過程中易出現裹氣的部位，見圖9。可以看出，當鑄件充型70%時最開始填充離內澆口最近的碗形深腔頂部，而在充型80%的時候，深腔頂部和3個圓孔基本充滿，說明充滿深腔頂部的金屬液流速很快，這不利于內部收縮甚至產生縮孔。鑄件充型90%時，除溢流槽和一側邊圓孔外，鑄件內部已經充填完畢，而在充型95%時，只有溢流槽部分未充滿，表明側邊單一圓孔金屬液填充速度過快，容易出現縮孔缺陷。圖10為兩種冷卻水道的鑄件凝固30%時溫度場及溫度趨勢。可見傳統冷卻水道的碗狀深腔溫度約為570℃，而帶有隨形冷卻水道效果更優，深腔邊緣溫度約為540℃，頂部為557℃，在型腔內部能夠避免熱節處出現孤立液相區導致無法補縮的問題，進而避免縮松縮孔缺陷的發生。

圖11為帶有傳統冷卻水道和隨形冷卻水道模具充型凝固完成后的溫度場，將其沿著XY、XZ方向切片，對比模具溫度變化。從沿著XZ切片圖可以看出，在深腔頂部左外表面上和深腔內部溫度隨形水道的冷卻效果優于傳統水道。隨形冷卻水道左表面溫度梯度由少部分溫度區間226.7~268℃轉變為大部分，且深腔內部268.0~309.3℃的溫度呈降低趨勢。圖12為深腔最終凝固時間分布圖。

圖9 充型過程裹氣預測

圖10 鑄件凝固30%過程溫度場以及凝固過程溫度趨勢圖

圖11 模具沿（XY、XZ）方向切片溫度圖

圖12 深腔最終凝固時間分布圖

圖13為傳統冷卻水道和隨形冷卻水道下鑄件縮松縮孔預測圖。可以看出，隨形冷卻水道下鑄件內部質量更好，在調整缺陷概率發生20%的情況下，溢流槽和底部矩形通孔端面都有縮孔缺陷發生，但在鑄件深腔內的最后充型位置A、B處的局部縮松率存在著較大差異。傳統冷卻水道下的鑄件A處出現了縮松，體積為0.1746cm3，而隨形冷卻水道下的縮松體積下降到0.1356cm3；傳統冷卻下B處產生的0.0194cm3縮松體積在使用了隨形冷卻鑲塊后直接消除。

傳統冷卻水道下的鑄件縮松縮孔體積約為0.8436cm3，縮松縮孔發生平均概率約為25.57%。帶有隨形冷卻水道鑲塊的鑄件縮松縮孔體積約為0.7605cm3，減少了9.8%，縮松縮孔平均發生概率降低到24.92%。這是由于采用了隨形冷卻的鑄件能夠有效降低深腔頂部壁厚區域的溫度，使得鑄件與模具間溫差小，保證了金屬液流動暢通，針對孤立液相區的補縮能力提高，進而降低了縮松縮孔發生的可能性。

圖13 鑄件縮松縮孔預測圖

將模擬驗證最優冷卻方案的隨形冷卻鑲塊安裝到模具上，采用海天HDC400壓鑄機進行實際生產，后處理去除溢流槽后的鑄件見圖14。從外觀能夠初步判斷該鑄件具有較好的表面粗糙度，無明顯翹曲變形。對圖14水泵壓鑄件分成4個區域進行X射線探傷，觀察鑄件內部是否產生縮松縮孔缺陷，結果見圖15，可以看出鑄件內部無缺陷。在水泵座深腔頂部取樣，見圖3a圓圈所示。線切割機切割并用XQ-1鑲嵌試樣，用300~1000目砂紙打磨后用拋光布和W1及W2.5金剛石研磨劑在金相試樣磨拋機上拋光，用體積分數為0.5%的HF腐蝕，靜置3~5s后用無水乙醇清洗干凈并用吹風機吹干。使用蔡司AxioVertA1光學顯微鏡觀察顯微組織。使用蔡司EVO18型掃描電鏡進行SEM觀察。組織分析見圖16。

圖14 水泵座鑄件

圖15 分區X射線探傷

圖16 水泵座鑄件微觀分析

結論

（1）針對水泵壓鑄件深腔頂部位置可能會出現表面翹曲變形、內部縮松縮孔缺陷的問題，在分析其結構特點的基礎上，發現因為壁厚過大、金屬液流速過快、溫度過高導致的深腔易發生缺陷。

（2）提出了在模具內增設傳統冷卻水道和隨形冷卻水道以達到提高鑄件質量的方案。結果顯示，隨形冷卻水道比傳統冷卻水道有更好的冷卻效果，更能加快鑄件深腔凝固速度和抑制縮松縮孔缺陷的發生。與傳統冷卻水道相比，鑲塊內部的縮松縮孔體積由0.8436 cm3減小到0.7605 cm3，縮松縮孔發生的平均概率只有24.92%，最終凝固時間大部分區間由6.87~9.28s縮短為4.47~6.87s。

（3）裝有隨形冷卻鑲塊的模具制造生產的鑄件通過X射線探傷技術、金相組織觀察和SEM觀察，發現鑄件表面無翹曲變形，內部組織晶粒細小且致密度高。

《水泵壓鑄件水冷鑲塊水道數值模擬與優化設計》

龔琛普1 龔海軍1 盧紅林2 宋鵬1 劉曉龍1

1.重慶交通大學機電與車輛工程學院；2. 重慶東科模具制造有限公司

本文轉自自：《特種鑄造及有色合金》