原標(biāo)題：低壓鑄造生產(chǎn)案例！A356鋁合金后副車架設(shè)計(jì)與優(yōu)化

鋁合金因其密度小、力學(xué)性能良好和抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，在汽車零部件的生產(chǎn)中被廣泛使用。另外，結(jié)合低壓鑄造的充型過(guò)程平穩(wěn)，對(duì)金屬液未結(jié)晶部分進(jìn)行補(bǔ)縮等特點(diǎn)，可生產(chǎn)出組織致密、力學(xué)性能好的鋁合金鑄件。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄件內(nèi)部往往會(huì)產(chǎn)生一些缺陷。因此，減少鑄件缺陷，提高鑄件的成形質(zhì)量，已成為低壓鑄造工藝中亟需解決的問(wèn)題。

鑄件的成形質(zhì)量不僅與鑄造方式和鑄造設(shè)備有關(guān)，還和工藝參數(shù)緊密相關(guān)。所以，在確定澆注方案后，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尋找合理的參數(shù)組合來(lái)提高鑄件成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前的參數(shù)優(yōu)化主要是先設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)方案，再通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行多次試驗(yàn)，最后利用初始算法根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)尋找最優(yōu)參數(shù)組合。研究者研究了澆注溫度與保壓時(shí)間對(duì)輪轂成形質(zhì)量的影響，并用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)試制。利用響應(yīng)面法研究了模具涂層厚度、模具預(yù)熱溫度和澆注溫度對(duì)低壓鑄造鋁合金輪轂中缺陷的影響，得到了優(yōu)化參數(shù)組合。通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，成功減少了低壓鑄造中鋁合金輪轂的縮孔率。

本研究以某A356鋁合金后副車架為對(duì)象，以澆注溫度、模具預(yù)熱溫度、充型時(shí)間和充型壓力為優(yōu)化參數(shù)，以孔隙體積、最大二次枝晶臂間距（SDAS）和凝固時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)三水平響應(yīng)面試驗(yàn)方案，并通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)來(lái)分析各優(yōu)化參數(shù)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響程度，最后使用遺傳算法尋找最優(yōu)參數(shù)組合，旨在為低壓鑄造鋁合金鑄件的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

圖文結(jié)果

研究對(duì)象為某A356鋁合金后副車架，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該鋁合金后副車架為大型薄壁件，外形尺寸為1 156 mm×873 mm×306 mm，平均壁厚為4 mm，最小壁厚為3 mm，最大壁厚為11.7 mm，質(zhì)量為16.88 kg。
考慮到鑄件中薄壁肋板較多，而鑄件正面的多數(shù)部位較為平整，為了使鑄件能夠平穩(wěn)充型，采取底注式澆注，澆口設(shè)置在鑄件正面，澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 鋁合金后副車架

圖2 后副車架低壓鑄造澆注系統(tǒng)

由于鑄件外側(cè)的4個(gè)圓環(huán)狀車身安裝點(diǎn)的厚度要遠(yuǎn)大于其余部位處的厚度，在鑄造過(guò)程中容易在該處產(chǎn)生熱節(jié)，從而形成縮松縮孔缺陷。所以，在這些部位預(yù)先設(shè)置了冷卻系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。冷卻系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

數(shù)值模擬所用的A356鋁合金的物性參數(shù)見(jiàn)表2。在模擬中，設(shè)置金屬液與模具、金屬液與砂芯、模具與砂芯界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為2 000、750和300 W/（m2·K），模具與空氣的傳熱系數(shù)為10 W/（m2·K）。

初始方案中澆注溫度為700 ℃，模具預(yù)熱溫度為320 ℃。通過(guò)ProCAST軟件模擬得到初始方案在8.56 s時(shí)完成升液，在12.21 s時(shí)完成充型，由此可認(rèn)為壓力和時(shí)間參數(shù)設(shè)置合理。根據(jù)模擬結(jié)果得到初始方案的孔隙體積為0.189 cm3，孔隙率為1.69%，最大二次枝晶臂間距為42.89 μm，鑄件完全凝固用時(shí)為146.76 s。初始方案的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 冷卻系統(tǒng)

表1 冷卻系統(tǒng)工藝參數(shù)

表2 A356鋁合金的物性參數(shù)

圖4 初始方案的數(shù)值模擬結(jié)果

在低壓鑄造中，鑄件缺陷主要包括氣孔、裂紋，縮松和縮孔等。在數(shù)值模擬中，通常是將鑄件內(nèi)部孔隙體積，二次枝晶臂間距和凝固時(shí)間作為鑄造工藝的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，孔隙體積和凝固時(shí)間都可以直接得到，而二次枝晶臂間距則需要在view模塊中調(diào)用result選項(xiàng)中的Metallurgical Tools功能，通過(guò)輸入金屬液的固、液相線溫度進(jìn)行計(jì)算得到，一般是以二次枝晶臂間距的最大值作為評(píng)價(jià)值。另外，低壓鑄造中涉及到的工藝參數(shù)較多，有升液時(shí)間、升液壓力、充型時(shí)間、充型壓力、增壓時(shí)間，增壓壓力、保壓時(shí)間、保壓壓力、澆注溫度和模具預(yù)熱溫度等。其中，澆注溫度和模具預(yù)熱溫度對(duì)上述3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均有直接影響，而充型時(shí)間和充型壓力也是影響金屬液充型性能的兩個(gè)重要參數(shù)。所以，本研究以澆注溫度（X1）、模具預(yù)熱溫度（X2）、充型時(shí)間（X3）和充型壓力（X4）作為優(yōu)化參數(shù)，以孔隙體積（Y1）、最大二次枝晶臂間距（Y2）和凝固時(shí)間（Y3）作為響應(yīng)指標(biāo)，通過(guò)Design-Expert軟件進(jìn)行三水平Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析各參數(shù)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響程度。響應(yīng)面試驗(yàn)具有精度高、成本低等特點(diǎn)，不僅可以分析單個(gè)因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響，還可以分析雙因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響。此外，響應(yīng)曲面法還能夠處理實(shí)際問(wèn)題中的不確定性和變異性，進(jìn)一步提高過(guò)程優(yōu)化的可靠性。響應(yīng)面試驗(yàn)因素-水平表見(jiàn)表3。

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)共27組，其中澆注溫度和模具預(yù)熱溫度的范圍可通過(guò)現(xiàn)有研究及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定。27組試驗(yàn)的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)因素-水平表

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)上述27組數(shù)值模擬結(jié)果得到的關(guān)于響應(yīng)指標(biāo)的響應(yīng)面模型擬合參數(shù)見(jiàn)表5。通過(guò)這些參數(shù)可以確定擬合度最高的響應(yīng)面模型。根據(jù)擬合參數(shù)確定響應(yīng)指標(biāo)的響應(yīng)面模型為二階響應(yīng)面模型。表5中的P值、R2和R2adj都是用來(lái)判斷響應(yīng)面模型與模擬數(shù)據(jù)的擬合程度。當(dāng)P值小于0.05時(shí)，可認(rèn)為響應(yīng)面模型與模擬數(shù)據(jù)之間的誤差較小。R2為多重判定系數(shù)，當(dāng)R2≥0.8時(shí)，可認(rèn)為該響應(yīng)面模型可用，R2越接近1，響應(yīng)面模型的擬合度越高。R2adj為調(diào)整后的多重判定系數(shù)，通常作為最終判定系數(shù)。C.V.為變異系數(shù)，若該值大于15%，則需要考慮是否存在異常數(shù)據(jù)。從表5中可以看出，二階響應(yīng)面模型與模擬數(shù)據(jù)擬合度較好，可以用該模型繼續(xù)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

孔隙體積的顯著性分析見(jiàn)表6。表6中的P值反映了各優(yōu)化參數(shù)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響顯著性。當(dāng)P值小于0.05時(shí)，表示該參數(shù)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)影響顯著；當(dāng)P值小于0.01時(shí)，表示該參數(shù)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)影響高度顯著。F值反映了各優(yōu)化參數(shù)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響程度，F(xiàn)值越大，則影響程度越大。從表6中可知，4個(gè)優(yōu)化參數(shù)對(duì)孔隙體積的影響都是高度顯著，其中澆注溫度與模具預(yù)熱溫度的影響程度最大。孔隙體積的雙因素交互作用三維響應(yīng)面圖見(jiàn)圖5。

表5 二階響應(yīng)面模型擬合參數(shù)

表6 孔隙體積的顯著性分析

圖5 孔隙體積的雙因素交互作用三維響應(yīng)面圖

SDAS的顯著性分析見(jiàn)表7。從表7中可知，充型時(shí)間和充型壓力對(duì)SDAS的影響程度低于澆注溫度和模具預(yù)熱溫度。SDAS的雙因素交互作用三維響應(yīng)面圖見(jiàn)圖6。凝固時(shí)間的顯著性分析見(jiàn)表8。從表8中可知，模具預(yù)熱溫度的影響程度最大，澆注溫度次之，充型時(shí)間的影響程度最小。凝固時(shí)間的雙因素交互作用三維響應(yīng)面圖見(jiàn)圖7。可以看出，溫度對(duì)凝固時(shí)間的影響最顯著，澆注溫度和模具預(yù)熱溫度越高，凝固時(shí)間越長(zhǎng)。而當(dāng)充型時(shí)間越長(zhǎng)或充型壓力越小時(shí)，凝固時(shí)間隨之增加；當(dāng)充型時(shí)間越短或充型壓力越大時(shí)，凝固時(shí)間隨之增大。

表7 SDAS的顯著性分析

圖6 SDAS的雙因素交互作用三維響應(yīng)面圖

表8 凝固時(shí)間的顯著性分析

圖7 凝固時(shí)間的雙因素交互作用三維響應(yīng)面圖

對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)值模擬，得到孔隙體積為0.093 cm3，相比初始方案減少了51%；最大二次枝晶臂間距為42.39 μm，相比初始方案減小了1.17%；凝固時(shí)間為146.11 s，相比初始方案減少了0.043%。經(jīng)由ProCAST計(jì)算，優(yōu)化后的鑄件孔隙率為0.21%，小于ProCAST中的縮松縮孔缺陷判定值1%。對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行生產(chǎn)試制并進(jìn)行采樣檢測(cè)，經(jīng)檢驗(yàn)，成品鑄件的內(nèi)部無(wú)明顯缺陷，質(zhì)量符合使用要求。鑄件成品及采樣金相組織見(jiàn)圖8。

圖8 鑄件成品及金相組織圖

結(jié)論

（1）由響應(yīng)面法分析可知，對(duì)于孔隙體積而言，澆注溫度、模具預(yù)熱溫度、充型時(shí)間和充型壓力過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致孔隙體積增加；對(duì)于SDAS而言，澆注溫度和模具預(yù)熱溫度對(duì)其影響程度較大，會(huì)隨著澆注溫度和模具預(yù)熱溫度的升高而增加；對(duì)于凝固時(shí)間而言，其會(huì)隨著澆注溫度，模具預(yù)熱溫度和充型時(shí)間的增加而增加，隨著充型壓力的增加而減小。

（2）根據(jù)響應(yīng)面法得到的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)遺傳算法尋找最優(yōu)參數(shù)組合。計(jì)算后得到的優(yōu)化后的參數(shù)組合是澆注溫度為707.89 ℃，模具預(yù)熱溫度為329.61 ℃，充型時(shí)間為3.06 s，充型壓力為14 822.30 Pa。相比于初始方案，孔隙體積減少了51%，鑄件質(zhì)量明顯提高。SDAS和凝固時(shí)間也略有減少。對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行生產(chǎn)試制并進(jìn)行采樣試驗(yàn)，驗(yàn)證了鑄件質(zhì)量符合使用要求，證明了該優(yōu)化方案的可行性。

《A356鋁合金后副車架低壓鑄造工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化》

張弓 蘇小平
南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》