原標(biāo)題：萬(wàn)豐鎂瑞丁：鎂合金汽車抬頭顯示支架的壓鑄工藝模擬與優(yōu)化

當(dāng)下，如何減少資源的消耗和環(huán)境的污染已成為人類可持續(xù)發(fā)展的首要問(wèn)題。為有效解決這一問(wèn)題，汽車輕量化得到廣泛的重視。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一就是使用新型輕量化材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，通過(guò)先進(jìn)工藝手段將新型輕量化材料加工成汽車零部件，這就給傳統(tǒng)汽車制造行業(yè)提出了更高的要求。鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于汽車零部件的壓鑄生產(chǎn)中，但在實(shí)際壓鑄生產(chǎn)中會(huì)有大量缺陷產(chǎn)生，從而導(dǎo)致鑄件報(bào)廢，因其較低的合格率使得鎂合金制造業(yè)的發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。

為了進(jìn)一步推動(dòng)鎂合金在汽車輕量化技術(shù)中的應(yīng)用，開(kāi)展了鎂合金汽車抬頭顯示支架(HUD)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)以及壓鑄測(cè)試，以探索鎂合金在汽車薄壁結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用的可行性，主要涉及計(jì)算機(jī)仿真及壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化。提出以最小卷氣量以及最小縮孔率為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)汽車HUD填充過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)Minitab田口試驗(yàn)對(duì)澆注溫度、模具預(yù)熱溫度及壓射速度等參數(shù)進(jìn)行理論分析及優(yōu)化，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，旨在為汽車HUD的生產(chǎn)提供參考。基于Magma軟件對(duì)抬頭顯示支架(HUD)設(shè)計(jì)了2種澆注系統(tǒng)方案，通過(guò)數(shù)值模擬分析給出優(yōu)化方案，在此基礎(chǔ)上采用田口試驗(yàn)研究了壓鑄過(guò)程中澆注溫度、模具預(yù)熱溫度及壓射速度對(duì)汽車HUD卷氣量和縮孔率的影響，得到了優(yōu)化的壓鑄工藝參數(shù)。

圖文結(jié)果

研究材料為AM60B合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。因其較高的強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性,被廣泛用于生產(chǎn)電器產(chǎn)品的殼體，薄型或異型支架等零件。HUD作為汽車抬頭顯示支架零件，AM60B合金完全滿足其性能要求。鎂合金HUD因其壁厚薄且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以對(duì)其加工精度、表面品質(zhì)都有著較高的要求。利用UG12.0軟件設(shè)計(jì)HUD零件的三維模型，設(shè)計(jì)了2種澆注系統(tǒng)方案，見(jiàn)圖1。

圖1 帶澆注系統(tǒng)的三維模型

表1 AM60B鎂合金的化學(xué)成分（%）

圖2 兩種方案溫度分布圖

圖3 2種方案充型速度模擬結(jié)果

可以看出，方案1的溫度分布很不均勻，靠近鑄件中間區(qū)域有很大面積的溫度較低，不超過(guò)630℃,而其他區(qū)域的溫度都達(dá)到645℃以上，形成了較大的溫度差，使得該區(qū)域在凝固過(guò)程中的速度不一致，有明顯的凝固時(shí)間差，導(dǎo)致后凝固的區(qū)域得不到金屬液補(bǔ)縮。易出現(xiàn)嚴(yán)重的縮孔缺陷。方案2的溫度分布較為均勻，鑄件的主體位置溫差不超過(guò)3℃。就填充溫度來(lái)看，方案2優(yōu)于方案1。當(dāng)填充至40%時(shí)，方案1中A位置的填充速度過(guò)快，達(dá)到50m/s以上，使得速度較快的金屬液會(huì)優(yōu)先填充鑄件，導(dǎo)致鑄件填充不均勻。當(dāng)填充至73%時(shí)，因?yàn)锳區(qū)域的金屬液填充過(guò)快，使得在與速度較慢的金屬液混合時(shí)會(huì)形成未填充的空白區(qū)域，見(jiàn)圖3c中B區(qū)域。該區(qū)域由于被兩股金屬液包圍而后才慢慢被填充，導(dǎo)致該區(qū)域容易出現(xiàn)憋氣現(xiàn)象。當(dāng)填充至90%時(shí)，出現(xiàn)了大片容易憋氣的區(qū)域，見(jiàn)圖3e中C區(qū)域。相較于方案1，方案2的充型速度模擬效果更好。

表2 田口試驗(yàn)因素-水平表

表3 田口正交表及結(jié)果統(tǒng)計(jì)

對(duì)于卷氣率、縮孔率這兩個(gè)響應(yīng)目標(biāo)而言，均符合田口試驗(yàn)質(zhì)量特性中的望小特性，故信噪比S/N的計(jì)算公式為：

式中，n表示試驗(yàn)次數(shù)；i表示第i次試驗(yàn)。

表4 信噪比計(jì)算結(jié)果

在僅考慮卷氣率的情況下，從表5可知，C>B>A，即壓鑄工藝參數(shù)對(duì)卷氣率的影響程度由大到小依次為：壓射速度、模具預(yù)熱溫度、澆注溫度?？梢缘玫?，在僅考慮卷氣率情況下，滿足信噪比S/N1最大的壓鑄工藝參數(shù)組合為A2B1C3，即澆注溫度為680℃、模具預(yù)熱溫度為160℃、壓射速度為6.5m/s。

表5 極差分析表

表6 方差分析表

在僅考慮縮孔率的情況下，可知，A>B>C，即壓鑄工藝參數(shù)對(duì)縮孔率的影響程度由大到小依次為：澆注溫度、模具預(yù)熱溫度、壓射速度。在僅考慮縮孔率的情況下，滿足信噪S/N2最大的壓鑄工藝參數(shù)組合為A1B2C1，即澆注溫度為660℃、模具預(yù)熱溫度為180 ℃、壓射速度為4.5m/s。

表7 方差分析表

圖4 優(yōu)化前后的卷氣率及縮孔率對(duì)比

圖5 HUD壓鑄件

結(jié)論

AM60B鎂合金汽車HUD支架在壓鑄過(guò)程中，當(dāng)僅考慮卷氣率時(shí)，壓射速度對(duì)其影響最大，模具預(yù)熱溫度次之，澆注溫度影響最小。當(dāng)僅考慮縮孔率時(shí)，澆注溫度對(duì)其影響最大，模具預(yù)熱溫度次之，壓射速度影響最小。當(dāng)綜合考慮卷氣率與縮孔率時(shí)，最優(yōu)工藝參數(shù)組合：澆注溫度為660℃、模具預(yù)熱溫度為200℃、壓射速度為6.5m/s。

本文作者：
張繼龍 田晶晶 甘恢琪
萬(wàn)豐鎂瑞丁新材料科技有限公司
陳龍
浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志