原標題：基于云計算的路由器盒蓋半固態(tài)壓鑄工藝設計及優(yōu)化

摘要：對5G無線路由器盒蓋的半固態(tài)壓鑄工藝和模具進行了設計，利用智鑄超云——壓鑄領域專業(yè)CAE云平臺對其半固態(tài)流變壓鑄充型過程進行了數(shù)值模擬，優(yōu)選出了一種最佳的壓鑄工藝方案進行生產試驗。結果表明，利用云計算進行數(shù)值模擬能為工藝方案的評價和改進提供科學的依據(jù)，能縮短新產品的開發(fā)周期。根據(jù)模擬優(yōu)化的工藝方案設計制造的路由器盒蓋壓鑄模具，采用半固態(tài)壓鑄工藝生產出了合格的路由器盒蓋壓鑄件，壓鑄件無縮松、氣孔等缺陷。

半固態(tài)流變壓鑄技術與傳統(tǒng)壓鑄相比，具有成形溫度低、模具壽命長、充型更平穩(wěn)、組織更致密、產品品質好、可改善生產條件和環(huán)境等優(yōu)點，目前廣泛用于汽車、通信、電器、航空航天及醫(yī)療等領域。半固態(tài)漿料制備是流變壓鑄技術發(fā)展異常關鍵的一個環(huán)節(jié)，目前國內外主要已發(fā)展有攪拌法、熱焓法、蛇形澆道法、剪切低溫澆注法等半固態(tài)漿料制備技術。然而，到目前為止，雖然半固態(tài)成形技術已經(jīng)得到應用，但半固態(tài)成形技術無論在理論上還是技術上，都需要進一步完善與發(fā)展。

隨著模擬技術的發(fā)展，計算機數(shù)值模擬技術被廣泛應用到半固態(tài)壓鑄充型與凝固過程仿真的研究，通過對壓鑄生產過程的數(shù)值模擬，能較準確地對凝固過程中可能出現(xiàn)的缺陷進行預測。通過計算機數(shù)值模擬技術在鑄件生產中的應用，提高了鑄件質量，縮短了產品研制周期，節(jié)約了材料成本，取得了可觀的效益。

本課題針對鋁合金5G無線路由器盒蓋鑄件，采用智鑄超云——壓鑄領域專業(yè)CAE云平臺對該鋁合金盒蓋鑄件的壓鑄充填過程進行數(shù)值模擬，通過模擬對其工藝進行了優(yōu)化，根據(jù)工藝優(yōu)化結果進行模具的設計與制造。并以AlSi8鋁合金為原料，采用自主開發(fā)的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝進行路由器盒蓋鑄件的生產試驗。

1、鑄件分析

圖1為某通信公司的5G無線路由器盒蓋，材質為AlSi8鋁合金。該鑄件最大外形尺寸為126 mm×126 mm×21 mm，壁厚不均勻，薄壁處約為2 mm，厚壁處約為7 mm。鋁合金密度為2.5g/cm3，臨界固相率為67. 5%，液相線溫度為615 ℃，固相線溫度為555 ℃，采用壓力鑄造工藝生產。

圖1:路由器盒蓋的三維圖

2、壓鑄工藝的設計

路由器盒蓋是殼體類鋁合金壓鑄件，其三面都有需要鑄出的孔，即需要采用三面抽芯機構，因此，只有將內澆口設置在沒有抽芯的一側，見圖1中圓圈標注位置。壓鑄機采用東洋BD-250V5，壓鑄件的投影面積為158 cm2，選擇一模兩腔，設計了兩種工藝方案，見圖2。

采用智鑄超云——壓鑄領域專業(yè)CAE云平臺進行數(shù)值模擬。先用三維造型軟件UG進行三維圖的造型并生成STL文件，然后上傳至智鑄超云的云計算平臺進行前置處理實現(xiàn)網(wǎng)格的自動剖分，對路由器盒蓋壓鑄件充型過程進行模擬。

圖2:盒蓋鑄件壓鑄工藝方案

3、壓鑄工藝的數(shù)值模擬

方案1的充型過程數(shù)值模擬結果見圖3。可以看出，由于橫澆道和內澆口設置在型腔的下部，鋁合金熔體向上充填型腔進入型腔后，首先向兩側充填，并且在內側鋁合金熔體流動較紊亂，容易產生卷氣、夾雜等缺陷，見圖3a~圖3c。鋁合金熔體最后充填的部位在內側的下部角上，而且位于鑄件內部，不在溢流槽部位，使得前端冷污的鋁合金熔體無法進入溢流槽，從而留在鑄件內部，在該部位容易出現(xiàn)冷隔、氣孔和夾渣等缺陷，見圖3d。

方案2的充型過程數(shù)值模擬結果見圖4。可以看出，由于橫澆道位于兩個型腔的中間，內澆口設置在型腔的內側，鋁合金熔體進入型腔后，逐步從內側向兩側充填，鋁合金熔體流動平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)紊流，充填過程基本符合全壁厚填充理論。鋁合金熔體最后充填的部位在型腔兩端的最外鍘，而且在該部位設置了溢流槽，使得前端冷污合金熔體能夠進入溢流槽，從而可有效避免在鑄件內部形成卷氣、夾渣等缺陷。

圖3:方案1壓鑄充型過程的模擬結果

圖4:方案2壓鑄充型過程的模擬結果

4、生產驗證

采用方案2進行模具的設計和制造，并采用自主開發(fā)的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝進行路由器盒蓋鑄件的實際生產試驗。鋁合金液出爐溫度為640 ℃，壓射沖頭在低速壓射階段采用勻加速壓射，壓射加速度約為0.86 m/s2，最高低速速度約為0.64 m/s，高速速度為2.0 m/s，模具預熱溫度約為200 ℃。圖5為路由器盒蓋半固態(tài)壓鑄件微觀組織與實物圖。可以看出，所有位置的組織中初生α-Al相大多呈近球狀，晶粒細小，分布均勻，具有較明顯的半固態(tài)組織特征。路由器盒蓋壓鑄件經(jīng)200 oC×4 h時效熱處理后，其導熱系數(shù)達到165.3 W?m/K。流變壓鑄實驗獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高、無缺陷的無線路由器盒蓋壓鑄件，見圖5d。通過對該路由器盒蓋壓鑄件的X光透射探傷，結果表明壓鑄件內部無明顯縮松、縮孔、氣孔和氧化夾雜等缺陷，見圖6。

圖5:路由器盒蓋半固態(tài)壓鑄件微觀組織與實物圖

圖6:路由器盒蓋鑄件X射線探傷圖

5、結論

通過采用智鑄超云—壓鑄領域專業(yè)CAE云平臺對某公司路由器盒蓋的壓鑄工藝方案進行模擬分析及優(yōu)化，根據(jù)模擬優(yōu)化結果，確定了采用工藝方案2進行了實際模具設計、制造和實際試生產。通過自主開發(fā)的勻加速料筒孕育半固態(tài)流變壓鑄工藝進行實際生產，生產的壓鑄件經(jīng)X光透射探傷，未發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔和夾雜等缺陷，其導熱系數(shù)達到165.3 W?m/K，品質達到了技術要求。

作者：

龍文元
南昌航空大學航空制造工程學院
龔杰
廈門格耐爾科技有限公司
宋國金
機械科學研究總院（將樂）半固態(tài)技術研究所有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第05期