基于数值模拟的铝合金通信机箱盖压铸工艺设计与优化

摘 要：以某通信机箱盖铸件为研究对象，根据铸件产品结构特点选择合适的压铸工艺参数，并设计了浇注系统。通过CAE软件对其充型过程、凝固过程进行数值模拟。结果表明，初始压铸工艺中铸件的部分位置可能出现卷气及冷隔缺陷。生产试模结果与初始工艺数值模拟结果基本一致，初始压铸工艺无法满足生产要求。对初始压铸工艺进行优化改进，并对优化后的工艺方案进行数值模拟、产品试制，卷气和冷隔现象得到大幅改善，满足生产质量要求。

关键词：通信机箱；铝合金；压铸工艺；数值模拟

中图分类号：TG249.2； TH142.2

文献标识码：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

随着当今机械制造业朝着轻量化、低排放的方向进行发展，铝合金压力铸造在汽车、航天、通信等领域都得到了广泛应用^［1-2］。压铸通信机箱作为通信基站类设备壳体件的代表性产品，作用是提供空间给电源、主机板、各种扩展板卡，驱动器等存储设备，有一定的强度，具有防火、防尘、防电磁干扰和辐射的功能^［3］。一般通信机箱为铝合金薄壁类压铸零件，表面质量要求高，成形难度大，采用压铸成形工艺^［4］。铝合金压力铸造具有产品成形光洁度较高、后期加工便利的特点^［5-6］。但其同时存在产品废品率高、生产质量不稳定的缺点^［7-8］。为了提高通信机箱生产质量，本文以某通信机箱盖铸件为研究对象，参考设计手册，对铸件进行压铸工艺设计，应用CAE软件进行数值模拟，根据数值模拟及生产试模结果，通过增加过桥、渣包，以及添加冷却系统对压铸工艺进行优化，最后通过生产试制验证了优化方案的可行性。

1 产品结构及材料

本文以某通信机箱盖铸件为研究对象，三维模型如图1所示，外形尺寸为576 mm×390 mm×84 mm，平均壁厚3 mm。该铸件结构复杂，背板上开设大量薄壁加强筋及凸台，前端开设一个巨大的窗口，产品成形难度大。通信机箱盖材料为ADC12压铸铝合金，各化学元素所占质量百分数如表1所示，通过差热分析（Differential Thermal Analysis， DTA）测得试验用ADC12铝合金的液相线温度及固相线温度为592 ℃和539 ℃。

2 压铸工艺设计

2.1 确定分型面

分型面对压铸模结构和压铸件质量有很大影响，选择合理的分型面能够简化模具结构，提高产品生产效率^［9］。铸件主体为长方形大平面薄壁件，但背板上设有大量加强筋，并在前端表面设计了一个很大的窗口，对表面质量要求较高。考虑铸件结构的特点，同时为了简化模具，将分型面设置在最大投影面上，分型面如图2所示。

2.2 浇注排溢系统的设计

浇注系统主要由直浇道、横浇道和内浇口组成。由于铸件背板上开设有大量的薄壁加强筋，所以金属液流动方向应顺着加强筋方向，以防止金属液直接冲击加强筋，导致加强筋发生形变。浇注系统采用多支流道进料，将内浇口设置于铸件远离窗口的短边位置，防止金属液直接冲击窗口部位产生涡流使铸件充填困难。同时，减少铝液填充时间，避免生产时出现卷气、冷隔、熔接痕等缺陷。该铸件内浇口截面积为450 mm²，根据生产需要计算锁模力，选择力劲DCC1250压铸机，取直径为120 mm的活塞。

排溢系统采用集渣效果较好的梯形溢流槽，在窗口部位、铸件末端以及侧边位置放置溢流槽，对充型过程中的前端冷污金属、金属液回流和涡流进行收集，提高浇注效果，减少压铸缺陷。浇注排溢系统见图3。

3 数值模拟结果分析

在压铸工艺数值模拟中，首先将带有浇排系统的压铸件三维模型保存为Stl格式并导入CAE软件AnyCasting中，模具材料选择H13模具钢；根据铸件特征以及查阅设计手册对压铸工艺参数进行设置，包括模具浇注温度、模具预热温度、慢压射速度、快压射速度、快慢压射行程等工艺参数，采用的具体压铸工艺参数如表3所示。

3.1 充型过程模拟

使用CAE软件对铸件初始压铸工艺进行模拟，充型结果如图4所示。从模拟结果可以看出，金属液首先进入直浇道，在时间t=0.139 7 s时，金属液进入横浇道；在t=0.252 6 s时，金属液进入横浇道后，通过多支流道进行分流，通过内浇口进入铸件型腔；在t=0.274 9 s时，前端金属液对铸件充填超过一半，金属液对铸件加强筋部分完成充填并继续向前进行充填；在t=0.293 9 s时，金属液充填至窗口位置，并通过窗口两侧对铸件前端进行充填；在t=0.306 7 s时，窗口两侧的金属液到达前端并开始汇流，对窗口前侧及侧边进行金属液补充；在t=0.319 4 s时，金属液充填完毕，型腔被全部充填。从整个充型过程来看，金属液充填靠近窗口位置及窗口前端时，金属液充型不稳定，存在一定的飞溅、涡流，可能会出现卷气、冷隔等缺陷。

3.2 凝固过程模拟

通过模拟软件可以查看并分析铸件凝固顺序和凝固过程中是否存在热节区域及孤立液相区，有助于对冷隔、缩松等缺陷的预测，铸件凝固过程如图5所示。从图5（a）可以看出，金属液最先在铸件底部薄壁加强筋处开始凝固；在图5（b）中。温度下降的同时，铸件底部及边缘地区也开始进行凝固；在图5（c）中，窗口部位开始凝固，凝固区域接近一半；在图5（d）中铸件主体大部分已经凝结，但铸件两侧壁厚较大处凝固较慢，可能为热节区域；在图5（e）中，随着温度进一步降低，铸件主体基本完成凝固，未出现孤立液相区域，但铸件热节特征可能依然存在。在图5（f）中，铸件完全凝固。通过软件对热节可能出现的位置进行模拟分析，结果如图6所示，预测铸件热节可能出现铸件侧边及铸件浇注前端位置。

3.3 缺陷预测

根据充填模拟过程分析，认为在铸件靠近窗口区域处会由于金属液直接冲击窗口而导致金属液产生一定的飞溅和涡流现象，可能会出现卷气，产生气孔缺陷；在窗口后方，铸件末端位置由于金属液进行填充时先对底部进行填充，底部填充完全时才会沿着侧壁进行充填，由于窗口两侧区域较窄，可能对窗口后方侧壁填充不及时，导致新填充的金属液与底部已填充的金属液接触时无法熔合，出现冷隔缺陷。根据凝固模拟过程分析，铸件前端和两侧区域容易出现热节，通过模拟结果分析，预测铸件热节位置在铸件侧边及铸件浇注前端位置，为铸件最后凝固区域，可能为热节产生位置。采用初始铸造工艺进行生产试铸，对铸件进行检测，实际产生缺陷位置与通过模拟结果预测的缺陷位置基本一致，证实了初始压铸工艺模拟结果的可靠性，图7为铸件实物缺陷图。

4 铸造工艺方案优化

4.1 工艺优化措施

从初始铸造工艺凝固过程来看，铸件完全凝固所需时间过长，由于原始冷却方式为室温自然冷却，导致凝固时间顺序不合理，铸件两侧及前端易出现热节。因此需要增加冷却系统来使凝固顺序合理，冷却方式为水冷。从充填过程和生产试模结果来看，由于金属液直接冲击窗口位置及对铸件末端充填不及时，导致卷气、冷隔现象的出现。因此，应该在窗口处设置过桥并在铸件末端两侧设置溢流槽，通过过桥避免金属液直接冲击窗口，并对铸件末端及时充填；通过溢流槽对前端冷料进行及时收集，提高充填效果。具体优化方案见图8。

4.2 工艺优化模拟分析

对初始压铸工艺进行优化后进行数值模拟分析，充型过程如图9所示，经过在窗口处开设过桥，金属液在充填到窗口前端时通过过桥稳定地对铸件末端进行充填，避免了金属液直接冲击窗口产生涡流，导致卷气的产生，同时金属液也通过过桥及时对铸件末端进行充填，避免由于金属液充填不及时而导致的冷隔现象。在铸件末端两侧增加溢流槽，及时地对金属液前端冷料进行及时收集，提高了铸件充填效果。凝固过程如图10所示。通过增加冷却水路，通信机箱底面薄壁筋条和铸件末端溢流槽部位最先开始凝固，其次是窗口及机箱平面部位，浇口附近厚壁处为最后凝固处，满足凝固顺序的原则，避免了热节区域的出现。

4.3 生产验证

为进一步验证优化后的铸造工艺方案的可靠性，采用优化工艺方案对铸件进行了试模生产，铸件产品实物图如图11所示。经检验，产品筋条充填饱满，产品表面没有冷隔、欠铸、气孔等铸造缺陷，与数值模拟结果相符合，说明压铸工艺参数合理，浇注排溢系统与冷却系统设计合理，可以为实际生产提供参考，提高产品生产效率。

5 结 论

（1） 针对某通信机箱盖铸件结构特征进行工艺分析，选择合理的压铸工艺参数并设计浇注排溢系统。

（2） 应用CAE软件对初始铸造工艺方案的充型、凝固过程进行了数值模拟分析。结果表明，充型过程有一定的飞溅、涡流现象，可能导致卷气、冷隔现象的发生。凝固过程没有按照凝固顺序进行凝固，浇口附近及铸件两侧为热节区域。生产试模结果与数值模拟结果，因此对铸造工艺进行优化，以消除缺陷。

（3） 通过在铸件窗口处开设过桥、两侧增加溢流槽及增加冷却水路对铸造工艺方案进行优化。通过对优化后的铸造工艺方案进行数值模拟、生产验证，最终得到了合理铸造工艺方案，提高产品生产质量。

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