浅谈压铸工艺与结构优化

　　浅谈压铸工艺与结构优化

　　气孔和缩孔是压铸件最为常见的铸造缺陷之一，它能显著降低压铸件力学性能。而孔洞边缘处产生的缺口应力集中往往会导致铸件的疲劳性能严重降低。由于产品结构壁厚和细节设计以及压铸工艺或模具设计的不合理导致铸件内部产生过多孔洞将直接影响铸件的拉伸强度、疲劳强度及材料延伸率等力学性能，因机加工而暴露出来的气孔和缩孔不仅仅会影响零件的气密性，同时也对零件在使用过程中疲劳失效产生直接影响，加快裂纹扩展的速率。压铸合金疲劳裂纹源90%以上产生于铸件内部以及机加工表面的孔洞，由此可知气孔、缩孔是影响压铸合金延伸率的主要因素，且压铸铝合金件的疲劳裂纹源首先出现在孔洞密集的区域。压铸铝合金具有优良的充填性能、力学性能以及切削性能，广泛应用于汽车、摩托车等行业的零部件中。优质的压铸产品应保证在强度、刚度、稳定性满足功能要求的情况下尽量使用较少的材料且需要避免在关键位置产生孔洞，充分发挥材料在重量以及力学性能上的利用率。

　　(一)压铸工艺对孔洞的影响

　　在压铸成型过程中，大部分铝合金都存在一定比例的收缩率，当产品出现严重缩孔时，我们优先想到的便是补缩。铸造压力、浇口面积、料柄厚度、合金设计对压铸件密度影响较大。随着铸造压力、浇口面积以及料柄厚度的增大，压铸件密度呈增大趋势。金属液充型和凝固行为与金属液所受到的充填压力、最大增压压力、有效保压时间、最大压力保持时间有直接关系。当铸造压力增大时，压铸件内孔洞数量以及面积分数在减少和减小，在不同料柄厚度和浇口面积下，也有类似的规律。因此在压铸过程中，随着铸造压力、浇口面积和料柄厚度增大，孔洞数量和面积分数，密度增加，抗拉强度增加。过大的铸造压力以及浇口面积将对模具侵蚀造成严重寿命降低，因根据标准或工厂经验进行合理选择。另外，金属液在压室内的卷气量也是影响铸造件孔洞的一个主要因素。低速速度不宜过大，应逐加速避免造成卷气。

　　(二)铸件结构与工艺如何协同设计

　　一般情况下，压铸产品是由产品设计工程师，压铸工艺工程师，CAE分析工程师协同完成的。有时，产品设计工程师在考虑零件强度和刚度的时候通常会出现产品壁厚过厚或是细节处难以压铸的设计缺陷，过厚的壁厚不仅仅造成压铸充填的困难，同时也会导致内部孔洞缺陷的增加以及密度和抗拉强度的降低，从而降低了零件在循环载荷作用下的疲劳力学性能。

　　基于CAE仿真技术，首先采用ANSYS或ABAQUS等仿真软件进行结构应力分析评估铸件的结构强度，采用拓扑优化技术对材料的分布进行合理的设计，以加筋的方式而非增加壁厚的方式来提高零件的强度等方式优化结构。接着采用ProCAST或Flow-3D等软件进行铸件的凝固，卷气，热结过程分析，以提高铸件的内在质量，从而使铸件的内部或机加工表面，尤其是受力关键部位的气孔、缩孔、疏松达到满足标准规范要求，同时保证铸件达到一个良好的铸造可行性。

　　(三)总结

　　在产品设计过程中，介于成型工艺的因素影响，材料密集度才是影响产品结构疲劳强度的关键因素，在研发阶段需要考虑提高材料密集度，减少内部缺陷，减小过厚的壁厚提高充填能力。而综合利用材料需要考虑以最短的路径才是力流传递最有效率的，也是材料最省的方式。