韓鵬飛 徐滕崗 朱建軍

摘 要：為得到高質(zhì)量鑄件，針對汽車底盤支架壁厚不均、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，使用UG對底盤支架進行三維建模并使用ProCAST模擬鑄造軟件對底盤支架進行高壓鑄造充型及凝固過程數(shù)值模擬，有效預(yù)測壓鑄過程中出現(xiàn)的縮松縮孔問題位置。通過正交試驗與ProCAST模擬軟件得出A1Si12Cu1（Fe）鋁合金底盤支架壓鑄工藝方案為：澆注溫度680℃，模具初始溫度220℃，慢壓射速度0.4m/s，快壓射速度5.5m/s。通過壓鑄件生產(chǎn)實驗及X-ray探傷檢測發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)后可明顯提高鑄件質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ProCAST;數(shù)值模擬;高壓鑄造;仿真分析;工藝優(yōu)化

DOI：10. 11907/rjdk. 191761 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0132-04

0 引言

高壓鑄造因具有生產(chǎn)效率高、鑄件尺寸精度高、可以生產(chǎn)復(fù)雜薄壁零件等特點而被廣泛應(yīng)用于汽車零部件制作過程中[1-3]。金屬液充填型腔速度高，流態(tài)不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件易產(chǎn)生氣孔、縮孔、縮松等問題[4];底盤支架是連接汽車底盤與車身的重要零部件，有較高的力學(xué)性能要求并且不允許有夾渣、縮松、縮孔等鑄造缺陷出現(xiàn)，以上缺陷將嚴重影響支架使用壽命。傳統(tǒng)工藝方案多采用人工試模方式，此方式將消耗大量人力財力，無法滿足企業(yè)發(fā)展需求。

近年來，隨著計算機技術(shù)和CAD/CAM/CAE技術(shù)的發(fā)展，鑄造過程模擬成為可能，這對降低成本、提高鑄造企業(yè)競爭力具有重要作用[5-7]。挪威工業(yè)科學(xué)研究院Cato Dorum等[8]利用仿真軟件對U型板鑄造過程進行了模擬，通過分析鑄造過程中出現(xiàn)的鑄造缺陷，提出了合理解決辦法;哈爾濱理工大學(xué)劉洋等[9]運用Magmasoft仿真軟件結(jié)合正交試驗對壓鑄成型過程進行仿真分析，并對相關(guān)工藝參數(shù)進行優(yōu)化，研究表明Magmasoft仿真軟件可以較準確地預(yù)測缺陷類型及位置。ProCAST是利用有限元模擬技術(shù)進行計算機鑄造模擬的仿真系統(tǒng)，是目前唯一一個不需要其它軟件輔助，可以獨自完成整個鑄造過程的熱—流動—應(yīng)力分析的鑄造模擬軟件[10]。

本文利用UG與ProCAST軟件對底盤支架的壓鑄充型及凝固過程進行模擬仿真，并以鑄件充型時間與孔隙率為判斷依據(jù)，建立正交試驗方案，尋找最優(yōu)工藝參數(shù)，以提高鑄件質(zhì)量，滿足鑄件使用要求。

1 數(shù)值模擬理論與模擬計算基礎(chǔ)方程

在鑄件充型過程數(shù)值模擬中，將液態(tài)金屬看作不可壓縮流體，其流動過程服從連續(xù)性方程、能量守恒原理、對流熱交換方程等[11-12]。

2 底盤支架壓鑄模擬前處理

2.1 支架模型建立及網(wǎng)格劃分

該支架模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多孔隙，最大壁厚為23.4mm，最小壁厚為4mm，整體外廓尺寸為320mm×182.48mm×394.48mm。使用UG軟件對鑄件進行三維實體建模，并設(shè)計鑄件的澆道、溢流槽、排氣槽等，如圖1所示。采用三股內(nèi)澆口進料，設(shè)置在支架壁厚較大處，可有效降低填充金屬溶液阻力，保證充型平穩(wěn)，壓力充分作用，并具有一定的補縮作用[13-14]。溢流槽與排氣槽設(shè)置在距澆口最遠處（金屬液最后充填位置），方便氣體排除，并在支架中間位置設(shè)置渣包收集冷料。

將建立的支架模型轉(zhuǎn)存為*.igs文件格式導(dǎo)入ProCAST-mesh模塊進行面網(wǎng)格與體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元大小取1，得到體網(wǎng)格單元個數(shù)為4 182 475。

2.2 工藝參數(shù)設(shè)置

鑄件材料選擇鋁合金Alsi12Cu1（Fe），該材料屬性如圖2所示。固相線/液相線溫度為540℃/570℃。添加虛擬模具且模具材料選擇H13鋼，鑄件與模具間界面換熱系數(shù)常取1 000～2 000 W/（m2℃），本仿真分析中模具與鑄件間的界面換熱系數(shù)為2 000W/（m2℃）[15]，環(huán)境溫度為20℃。

3 模擬仿真及結(jié)果分析

模擬充型過程中不同時刻的金屬液填充率及溫度分布如圖3所示。由圖3（a-b）可知金屬液進入橫澆道，并在橫澆道中產(chǎn)生堆積，至充滿橫澆道，金屬溶液到達內(nèi)澆口時開始快速充型，金屬液自下而上至平穩(wěn)充型完成，充型過程中無渦流、飛濺等現(xiàn)象。整個充型過程耗時0.23 s，金屬液在充型過程中溫度無劇烈變化，且均在液相線之上，因此充型過程中不會出現(xiàn)局部凝固現(xiàn)象，降低了冷隔缺陷產(chǎn)生幾率[15]。圖3（e）為鑄件凝固時間順序圖，可知離澆口最遠處凝固時間最短，鑄件壁厚較厚處凝固時間較長，壁厚較大處產(chǎn)生熱節(jié)，周圍金屬形成獨立液相區(qū)，使其無法得到補縮，該位置易出現(xiàn)縮松縮孔缺陷。如圖3（f）所示，為預(yù)測鑄件縮松縮孔缺陷出現(xiàn)位置，孔隙率為1.12%，從圖中可以看出縮松縮孔多出現(xiàn)在壁厚較大處，與由凝固時間推測出的缺陷位置大致相同。根據(jù)經(jīng)驗，采用孔隙率為1%作為判據(jù)，當孔隙率大于1%時，鑄件可能存在宏觀縮孔，判定鑄件質(zhì)量不合格;當鑄件孔隙率小于1%時，鑄件可能出現(xiàn)微觀縮孔，接近于0，可判斷鑄件質(zhì)量合格。

根據(jù)鑄件充型、凝固模擬結(jié)果可知，初始工藝方案慢壓射速度過高，整體充型過程平穩(wěn)，但在凝固過程中產(chǎn)生縮松縮孔缺陷。針對高壓鑄造過程中的縮松縮孔缺陷，可以通過降低金屬溶液澆注溫度、壓射速度，提高模具初始溫度，改善鑄件結(jié)構(gòu)，使鑄件壁厚均勻等措施加以控制[17-19]。

4 正交試驗設(shè)計及仿真驗證

4.1 正交試驗設(shè)計

選取工藝參數(shù)：澆注溫度、模具初始溫度、慢壓射速度、快壓射速度。進行四因素三水平正交試驗，以鑄件模擬的孔隙率及充型時間為評定指標，以確定最優(yōu)工藝方案。據(jù)此建立正交試驗因素水平表及試驗方案[20]，如表2所示。

表2分析結(jié)果顯示，鑄件充型時間主要受慢壓射速度與快壓射速度影響，其中慢壓射速度影響作用更顯著。澆注溫度對孔隙率的影響最為顯著，其次為模具初始溫度，再者是快壓射速度，最后是慢壓射速度，對孔隙率影響最小。因此，由正交表可以得出最優(yōu)參數(shù)方案為：澆注溫度680℃，模具初始溫度220℃，慢壓射速度0.4m/s，快壓射速度5.5m/s。圖4為最優(yōu)參數(shù)方案的模擬仿真結(jié)果，可以看出孔隙率為0.77%，且縮松縮孔主要出現(xiàn)在集渣包中，滿足支架鑄件要求。

4.2 仿真驗證及樣件試制

根據(jù)仿真模擬結(jié)果應(yīng)用得到的最優(yōu)工藝方案，采用布勒530T-18壓鑄機進行鑄件的樣件試制。試制樣件表面無明顯缺陷，支架樣件如圖5（a）所示。進一步對支架樣件進行X-ray探傷實驗，如圖5（b）可由探傷結(jié)果得知關(guān)鍵位置鑄件內(nèi)部無縮松縮孔等明顯缺陷，樣件質(zhì)量合格，滿足鑄件要求。

5 結(jié)語

通過ProCAST仿真模擬與正交試驗分析可知，金屬液澆注時間主要受慢壓射速度影響。澆注溫度對支架鑄件縮松縮孔缺陷有更為顯著的影響，模具初始溫度次之。最終確定底盤支架鑄件壓鑄的合理工藝方案為：澆注溫度680℃，模具預(yù)熱溫度220℃，慢壓射速度0.4m/s，快壓射速度5.5m/s。在最優(yōu)方案確定后，通過鑄件樣件試制及X-Ray探傷，得知試制鑄件無明顯缺陷，進一步確定了工藝方案的合理性。

限于正交試驗因素水平范圍選擇較小，最為理想的工藝參數(shù)可能并未落在所選水平范圍內(nèi)。若擴大因素水平范圍，增加試驗量，并在得到的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練便可找出最理想的鑄造工藝參數(shù)，以優(yōu)化鑄件質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 齊衛(wèi)東. 壓鑄成型工藝與模具[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

[2] 龍文元，盧百平. 金屬液態(tài)成型模具設(shè)計[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3] 楊兵，張大為，周峰. 汽車發(fā)動機鋁合金缸體壓鑄工藝改進及品質(zhì)提升[J]. 鑄造技術(shù)，2017（1）：253-255.

[4] 常移遷，周海軍. 壓鑄鋁合金汽車前罩殼缺陷分析與工藝改進[J]. 熱加工工藝，2012，41（11）：64-65，68.

[5] 李德勝，周建強，梅建春，等. 基于ProCAST球鐵支架鑄造過程數(shù)值模擬[J]. 熱加工工藝，2010，39（5）：54-56.

[6] GUNASEGARAM D R，GIVORD M，O'DONNELL R G，et al. Improvements engineered in UTS and elongation of aluminum alloy high pressure die castings through the alteration of runner geometry and plunger velocity[J]. Materials Science & Engineering A，2013，559：276-286.

[7] 黃勇，潘大偉，杜曉明，等. 鋁合金下殼體壓力鑄造充型與凝固過程的數(shù)值模擬[J]. 特種鑄造及有色合金，2010，30（1）：59-61，125.

[8] DORUM C，LAUKLI H I，HOPPERSTAD O S. Through-process numerical simulations of the structural behaviour of Al-Si die-castings[J]. Computational Materials Science，2008，46（1）：100-111.

[9] 劉洋，石連升，吉澤升，等. 于永福. 基于MAGMA的汽車變速箱頂蓋的壓鑄工藝優(yōu)化[J]. 特種鑄造及有色合金，2014，34（12）：1262-1265.

[10] 嚴晨曉. 基于ProCAST的汽車鎂合金油底殼高壓壓鑄充型凝固過程模擬[D]. 長春：吉林大學(xué)，2012.

[11] 孟昭昕，黃勇，李鑫. 基于ProCAST的閥體壓鑄數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[J]. 沈陽理工大學(xué)學(xué)報， 2017（5）：83-87.

[12] 胡志，劉紹平，閆洪，等. 基于CAE技術(shù)鋁合金支架壓鑄工藝優(yōu)化[J]. ?南昌大學(xué)學(xué)報：工科版，2013，35（1）：45-48.

[13] 姜伯軍. 壓鑄模內(nèi)澆口的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝分析[J]. 模具制造，2017，17（5）：60-63.

[14] OHNAKA I，ZHU J D，SUGIYAMA A，et al. A Method to set process parameters of local squeeze in HPDC[J]. IOP Conference Series Materials Science and Engineering，2012，33（1）：1-3.

[15] 高子威. 局部擠壓輔助HPDC成型降低發(fā)動機支架氣孔缺陷的研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[16] 嚴炎祥，田汀南. 慢壓射和預(yù)填充技術(shù)在氣缸體壓鑄生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 特種鑄造及有色合金，2008，28（12）：938-942，899.

[17] 黃勇，潘大偉，杜曉明，等. 鋁合金下殼體壓力鑄造充型與凝固過程的數(shù)值模擬[J]. 特種鑄造及有色合金，2010，30（1）：59-61，125.

[18] 王春濤，張繼斌，林真，等. 凸輪軸支架壓鑄件鑄造缺陷解決方案[J]. 特種鑄造及有色合金，2017，37（4）：387-389.

[19] 劉娟. 四回路保護閥壓鑄成型數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2017.

[20] 何為，唐斌，薛衛(wèi)東主. 優(yōu)化試驗設(shè)計方法及數(shù)據(jù)分析[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

（責(zé)任編輯：孫 娟）