薄壁鋁合金濾波器散熱殼體RSF半固態(tài)壓鑄工藝模擬
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張 字王連登許朋朋王沁峰曹海春鄭江水羅振華
（1．福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院；2．集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院；3．福建省瑞奧麥特輕金屬有限責(zé)任公司）
濾波器設(shè)備使用功率大、集成度高，對散熱性要求高，需要濾波器散熱殼體進(jìn)行充分散熱。因此要求濾波器散熱殼體具有較高的熱導(dǎo)率，殼體表面的散熱片要盡量減薄，在滿足產(chǎn)品強(qiáng)度的前提下要盡可能符合輕量化設(shè)計(jì)以便于安裝、維護(hù)。該類產(chǎn)品的制造常采用壓鑄工藝，但壓鑄濾波器散熱殼體存在氣孔、氧化夾雜等缺陷，其散熱片壁厚較大，所能達(dá)到的最小壁厚是1.5mm，這使得散熱殼體質(zhì)量較重，散熱性能差，降低了產(chǎn)品的使用性能。
半固態(tài)壓鑄技術(shù)采用處于液、固兩相溫度區(qū)間的半固態(tài)金屬漿料。在壓鑄過程中，由于金屬漿料固相率大、粘度高、晶粒圓整，在合適的壓射參數(shù)下金屬漿料將以接近層流方式流動(dòng)充滿型腔，充型過程平穩(wěn)、均勻，可以實(shí)現(xiàn)近凈成形。早期的半固態(tài)壓鑄技術(shù)主要用于解決厚大壓鑄件的氣孔和氧化夾雜問題，對于超薄壁鋁合金精密結(jié)構(gòu)件的半固態(tài)壓鑄研究較少。采用從瑞典引進(jìn)的RSF (Rapid Slurry Forming)半圊態(tài)制漿技術(shù)，結(jié)合壓鑄工藝實(shí)現(xiàn)了超薄壁鋁合金精密結(jié)構(gòu)件濾波器散熱殼體的量產(chǎn)（壁厚為0.8～1.0 mm），RSF半固態(tài)制漿技術(shù)的基本原理是用熵交換材料EEM(Enthal-py Exchange Material)作為冷卻劑來吸收熱量和提供外來形核質(zhì)點(diǎn)，從而促進(jìn)金屬液的非均勻形核，通過控制熔體的焓熵來快速制備金屬半固態(tài)料。
通過前期對RSF半固態(tài)壓鑄的研究發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)壓鑄時(shí)，壓射低速值和高低速轉(zhuǎn)換位置對半固態(tài)漿料的充型狀態(tài)影響較大。如果速度轉(zhuǎn)換時(shí)刻較早，半固態(tài)漿料將產(chǎn)生飛濺、卷氣等問題。因此，本課題基于RSF半固態(tài)快速制漿技術(shù)，針對濾波器散熱殼體精密結(jié)構(gòu)件的發(fā)展需要，采用MAGMA軟件模擬了濾波器散熱殼體在不同的壓射低速值和高低速切換位置下半固態(tài)漿料的充填狀態(tài)，并根據(jù)模擬所獲得的最佳半固態(tài)壓鑄參數(shù)進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。
1 CAE模流條件
1.1 試驗(yàn)條件
圖1為濾波器散熱殼體。該零件形狀規(guī)則，由數(shù)片矩形散熱片組成且水平布置在同一平面上。散熱片要求壁厚均勻且壁厚維持在0. 8～1.0 mm，脫模斜度維持在1°左右，表面無縮松、氣孔。
鑄件材質(zhì)為Al-7Si-Mg合金（其成分見表1），其液相線溫度為615℃，固相線溫度為577℃，熱導(dǎo)率為150 W／(m·K)，模具材料為4Cr5MoSiVl。根據(jù)散熱殼體的大小及其投影面積，擬采用16 000 kN臥式壓鑄機(jī)生產(chǎn)。
1.2模擬條件
采用RSF半固態(tài)壓鑄技術(shù)，其半固態(tài)漿料的粘度對鑄件的品質(zhì)有較大影響。冷卻速度、剪切速率、固相率、合金成分、顆粒形狀等因素的改變將直接影響半固態(tài)漿料粘度的變化，從而進(jìn)一步影響漿料的流變性能。但目前還沒有建立起完全符合半固態(tài)漿料實(shí)際情況的粘度模型，因此，采用單相模型進(jìn)行近似模擬。認(rèn)為半固態(tài)漿料為連續(xù)、不可壓縮的金屬熔體，具有良好的流動(dòng)性；充型時(shí)間很短，一般只有0. 01～0. 20 s，可認(rèn)為是瞬間完成，忽略流體與模具之間的傳熱，主要考查剪切速率對粘度的影響。模擬時(shí)采用的基本方程，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，其流變本構(gòu)方程和粘度方程為：
式中，r為剪應(yīng)力，Pa；n為粘度，Pa·s；y，為剪切速率，S -1；k為稠度系數(shù)，為9. 12×10 -14×100.0047；n為冪律指數(shù)，n=4. 03-0. 004t;t為流體填充溫度，℃。
為了研究壓射低速值和壓射高低速切換位置對濾波器散熱殼體充型過程的影響（壓射高低速切換位置為壓鑄機(jī)沖頭在料筒中的行進(jìn)位置）。根據(jù)前期生產(chǎn)調(diào)研，制訂出3套模擬方案，見表2。模擬參數(shù)中，壓鑄溫度為600℃，模具預(yù)熱溫度為200℃。內(nèi)澆口選在散熱殼體長度方向上一側(cè)底部，避免漿料正面沖擊型芯，同時(shí)能將型腔中的氣體由一側(cè)驅(qū)趕至另一側(cè)，便于排氣。選用縫隙式內(nèi)澆口，便于半固態(tài)漿料作低速平穩(wěn)的擴(kuò)展流動(dòng)，避免因內(nèi)澆口截面高度與模具型腔深度相差較大而引起噴射。
2 CAE模擬結(jié)果與分析
2.1模擬結(jié)果
圖2是方案1的充型過程，其壓射高低速切換位置為700 mm。從圖2中可以看到，在充型達(dá)到51%時(shí)，半固態(tài)漿料充型速度比較慢，以層流的方式緩慢充型。當(dāng)充型達(dá)到66%時(shí)進(jìn)行壓射高低速切換，此時(shí)漿料開始出現(xiàn)噴流，鑄件局部位置充型速度過快。在高低速切換后繼續(xù)充型至81%，此時(shí)可以看到漿料流動(dòng)前端部分位置充型速度很高，半固態(tài)漿料沒有再以層流的方式進(jìn)行充型，而是出現(xiàn)了十分明顯的尖刀狀噴流，同一截面漿料的充型速度不均勻，使得后續(xù)的充型過程中會(huì)發(fā)生回流、卷氣現(xiàn)象，造成散熱殼體片表面產(chǎn)生氣孔，壁厚不均勻。
圖3是將壓射高低速切換位置改為720 mm(方案2)的充型過程。從圖3a與圖3b中可以看出，充型至51%和66%時(shí)漿料產(chǎn)生噴流，但與方案1相比噴流程度相對變小。當(dāng)在720 mm處進(jìn)行壓射高低速切換后，充型至81%時(shí)，雖然充型前端漿料依舊呈現(xiàn)尖刀狀的噴流形狀，但從整體上看，噴流的程度得到了明顯控制，各充型截面的流動(dòng)速度相差不大，已進(jìn)一步降低了回流、卷氣對壓鑄件品質(zhì)的影響。
圖4是方案3的充型過程。從圖4中可以看到，半固態(tài)漿料在整個(gè)充型過程中是以層流的方式進(jìn)行流動(dòng)，基本沒有產(chǎn)生噴射。半固態(tài)漿料在散熱殼體上每個(gè)散熱片的充型都很均勻，漿料充型前端截面各處的流動(dòng)速度大致相等，充填過程十分平穩(wěn)，可以直接把型腔的氣體往前推出，避免了由于噴射回流產(chǎn)生的卷氣現(xiàn)象。
2.2結(jié)果分析
以上3種方案的模擬結(jié)果表明，壓射低速值和高低速切換位置對半固態(tài)充型過程影響很大。對比方案1和方案2可知，當(dāng)壓射速度切換較早時(shí)，粘度較大的半固態(tài)漿料在高速壓射的作用下仍然會(huì)以噴流的方式進(jìn)行充型，在充型前端產(chǎn)生尖刀狀的飛濺。推遲高低速切換的位置，可以使大量半固態(tài)漿料平穩(wěn)流人型腔并平鋪分散開。當(dāng)?shù)退賶荷滢D(zhuǎn)換為高速壓射時(shí)，平鋪的漿料會(huì)將高速壓射產(chǎn)生的力均勻地分散在漿料的各個(gè)部分，不會(huì)使產(chǎn)生的充型力集中在某一區(qū)域，從而使飛濺噴流情況得到明顯改善。整個(gè)漿料流動(dòng)的速度場較之前也更加平緩均勻，抑制了回流、卷氣和氧化夾雜等缺陷的產(chǎn)生。對比方案2和方案3可以看出，采用相對較低的壓射低速，可以使半固態(tài)漿料通過內(nèi)澆口后，在充人型腔的最初位置沿散熱片高度方向向上堆積更加充分，而后以層流方式順序向型腔的充型末端推進(jìn)，有效地改善半固態(tài)漿料的充型流動(dòng)方式，進(jìn)一步減少了氣孔、氧化夾雜等缺陷，大大提高了該壓鑄件的成形品質(zhì)。
3 生產(chǎn)驗(yàn)證
采用模擬方案3進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，獲得了外形輪廓清晰、尺寸精度高、壁厚均勻、最小壁厚為0.8 mm的濾波器散熱殼體鑄件（見圖5），圖6為澆注系統(tǒng)中澆口位置的微觀組織。從圖6中可以看出初生a-Al相呈近球狀，晶粒細(xì)小，分布均勻，具有明顯的半固態(tài)組織特征。
殼體及散熱片表面光滑，沒有氣孔氧化夾雜。為了驗(yàn)證RSF半固態(tài)壓鑄產(chǎn)品的品質(zhì)，把散熱殼體上的散熱片用鋸床切割下后進(jìn)行T6熱處理，看表面是否存在氣孔和鼓泡現(xiàn)象。因?yàn)V波器散熱殼體上的單片散熱片較長，無法進(jìn)行整體的X光透射探傷，所以對散熱片前端和末端的部分區(qū)域進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，散熱片表面無氣孔和鼓泡現(xiàn)象，其內(nèi)部無明顯縮松、縮孔，氧化夾雜量較少（見圖7）。
4 結(jié) 論
(1)濾波器散熱殼體采用RSF半固態(tài)壓鑄成形。半固態(tài)漿料具有一定的固相率，粘度高、易于堆積，通過調(diào)整壓射參數(shù)，降低壓射低速值和推遲高低速切換位置，可有效改善半固態(tài)漿料在成形濾波器散熱殼體過程中發(fā)生噴流的現(xiàn)象，使之以近乎層流的方式進(jìn)行充型。而且因漿料內(nèi)部組織為近球狀晶粒，相互接觸后不會(huì)結(jié)成網(wǎng)絡(luò)，所以充型流動(dòng)通道不會(huì)被堵塞，使得所能成形的散熱片壁厚更薄。
(2)采用壓射低速為0.1 m/s，高低速切換位置為720 mm的方案，進(jìn)行濾波器散熱殼體的實(shí)際生產(chǎn)，得到了合格的壓鑄件。壓鑄件表面無縮松、氣孔等缺陷，其散熱片壁厚均勻且大致維持在0. 8～1.0 mm的范圍，與模擬的結(jié)果大致相同，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。
