摘 要：本文研究了鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化及其對(duì)零件性能的影響。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了擠壓速度、模具溫度、液態(tài)金屬溫度等工藝參數(shù)對(duì)零件力學(xué)性能、內(nèi)部缺陷、表面質(zhì)量的影響規(guī)律。研究表明，適當(dāng)提高擠壓速度和液態(tài)金屬溫度，并降低模具溫度，可以在保證零件力學(xué)性能的同時(shí)獲得良好的表面質(zhì)量，并最小化內(nèi)部缺陷。本研究可為鋁合金汽車零部件的擠壓鑄造工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：鋁合金 汽車零部件 擠壓鑄造 工藝參數(shù) 性能評(píng)價(jià)

0 引言

隨著汽車輕量化和節(jié)能減排需求的不斷提高，鋁合金在汽車零部件制造中的應(yīng)用日益廣泛。擠壓鑄造是一種近凈成形工藝，可用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的鋁合金汽車零部件。為實(shí)現(xiàn)零件的高性能和穩(wěn)定質(zhì)量，亟需開展擠壓鑄造工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。本文基于正交試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了擠壓鑄造的關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)鋁合金汽車零部件力學(xué)性能、內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝

1.1 擠壓鑄造工藝原理

擠壓鑄造是一種先進(jìn)的金屬成形技術(shù)，通過將液態(tài)金屬在高壓下充填到模具型腔中，實(shí)現(xiàn)近凈成形（如圖1）。具體過程為：將鋁合金熔化并保溫到一定溫度，澆注到壓射室內(nèi)，隨后在液壓缸的作用下，活塞將液態(tài)金屬快速推入型腔。在高壓下，液態(tài)金屬充滿型腔并在型腔內(nèi)快速冷卻凝固成型。擠壓鑄造可獲得尺寸精度高、表面質(zhì)量好、內(nèi)部致密性高的復(fù)雜薄壁零件[1]。與重力鑄造和低壓鑄造相比，擠壓鑄造具有充型能力強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、可實(shí)現(xiàn)厚壁與薄壁過渡等優(yōu)點(diǎn)。擠壓鑄造零件常用于汽車、航空航天、電子電器等領(lǐng)域。

1.2 影響擠壓鑄造零件性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)

擠壓鑄造零件的力學(xué)性能、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷對(duì)工藝參數(shù)高度敏感。擠壓速度是最重要的工藝參數(shù)之一，它決定了液態(tài)金屬的充填速率和壓力。擠壓速度過低，會(huì)導(dǎo)致液態(tài)金屬充填不完全，產(chǎn)生夾雜和縮孔缺陷；擠壓速度過高，則會(huì)引起液態(tài)金屬劇烈湍流，產(chǎn)生氣孔缺陷，并導(dǎo)致型腔提前磨損。模具溫度也是關(guān)鍵參數(shù)，它影響液態(tài)金屬在型腔內(nèi)的凝固速率和冷卻均勻性[2]。模具溫度過低，會(huì)導(dǎo)致鑄件表面拋光性差，易產(chǎn)生裂紋；模具溫度過高，會(huì)降低鑄件冷卻速率，晶粒粗大，力學(xué)性能下降。液態(tài)金屬溫度、壓射壓力、保壓時(shí)間等參數(shù)也對(duì)鑄件性能有重要影響。

2 正交試驗(yàn)研究擠壓鑄造工藝參數(shù)對(duì)鋁合金零件性能的影響

2.1 試驗(yàn)材料與方法

本研究選用汽車控制臂常用的鋁合金AC4D（AlSi9Mg）作為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)在280噸冷室壓鑄機(jī)上進(jìn)行，采用直徑為60mm的液壓缸。模具采用H13熱作模具鋼制造，型腔面積為150cm2，厚度為3mm。正交試驗(yàn)選取擠壓速度、模具溫度和液態(tài)金屬溫度三個(gè)因素，每個(gè)因素選取三個(gè)水平。為評(píng)價(jià)擠壓鑄造工藝參數(shù)對(duì)零件性能的影響，選取抗拉強(qiáng)度、延伸率、表面粗糙度和內(nèi)部缺陷面積分?jǐn)?shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)?？估瓘?qiáng)度和延伸率測(cè)試按照GB/T 228進(jìn)行，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，標(biāo)距為50 mm；表面粗糙度使用TR200粗糙度儀測(cè)量，每個(gè)試樣測(cè)量5個(gè)位置，取平均值；內(nèi)部缺陷采用X射線無(wú)損檢測(cè)方法表征，使用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)缺陷面積分?jǐn)?shù)。正交試驗(yàn)安排采用L9（34）正交表，每個(gè)試驗(yàn)條件下鑄造3個(gè)樣件，測(cè)試結(jié)果取平均值。

2.2 擠壓速度對(duì)零件力學(xué)性能和缺陷的影響

隨著擠壓速度從0.2 m/s增大到1.0 m/s，鑄件抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在0.6 m/s時(shí)達(dá)到最大值286 MPa；延伸率隨擠壓速度提高而單調(diào)下降。低速導(dǎo)致充填不完全產(chǎn)生缺陷，適度提高可改善力學(xué)性能，過高速度引起湍流卷氣產(chǎn)生縮孔氣孔缺陷。X射線檢測(cè)表明，隨速度提高，缺陷尺寸和數(shù)量增加。因此，擠壓速度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，既保證快速充填，又避免缺陷產(chǎn)生。

2.3 模具溫度對(duì)零件表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷的影響

隨著模具溫度從175℃升高到275℃，鑄件表面粗糙度Ra先降低后升高，在225℃達(dá)到最小值0.42μm，表面質(zhì)量最佳；內(nèi)部缺陷面積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先降低后升高趨勢(shì)，在225℃最低為0.68%。低溫導(dǎo)致表面快速凝固，鋪展性差，表面粗糙；高溫使表面局部過熱，也導(dǎo)致粗化。低溫易形成縮孔，高溫延緩凝固引起粗大縮孔，合適溫度可兼顧表面和內(nèi)部質(zhì)量[3]。應(yīng)根據(jù)型腔結(jié)構(gòu)和壁厚優(yōu)選最佳模具溫度。

2.4 液態(tài)金屬溫度對(duì)零件力學(xué)性能和表面質(zhì)量的影響

由不同液態(tài)金屬溫度下AC4D鋁合金零件的抗拉強(qiáng)度、延伸率和表面粗糙度可得，隨著液態(tài)金屬溫度從660 ℃升高到740 ℃，鑄件抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在700 ℃時(shí)達(dá)到最大值293 MPa；而延伸率則隨溫度的升高而單調(diào)提高，從660 ℃時(shí)的4.9%升高到740 ℃時(shí)的9.4%，提高了91.8%。產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因是，低液態(tài)金屬溫度導(dǎo)致液態(tài)金屬黏度大，流動(dòng)性差，型腔充填不完全，易產(chǎn)生縮松、未焊合等缺陷，力學(xué)性能較低；提高液態(tài)金屬溫度，可降低液態(tài)金屬黏度，改善型腔充填，獲得致密的鑄件組織，力學(xué)性能提高；但溫度過高會(huì)加劇合金元素的燒損，引起晶粒粗化，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。同時(shí)，液態(tài)金屬溫度對(duì)鑄件表面質(zhì)量也有顯著影響。隨著液態(tài)金屬溫度的升高，鑄件表面粗糙度逐漸降低，在720℃時(shí)達(dá)到最低值Ra=0.39 μm。這主要是由于較高的液態(tài)金屬溫度可降低液態(tài)金屬表面張力，促進(jìn)其在型腔表面的鋪展，改善表面復(fù)制性能，獲得光滑的表面[4]。綜上所述，液態(tài)金屬溫度是影響擠壓鑄造鋁合金零件力學(xué)性能和表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素，應(yīng)根據(jù)合金成分和零件結(jié)構(gòu)，優(yōu)選出力學(xué)性能和表面質(zhì)量兼顧的最佳液態(tài)金屬溫度。

3 鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 多目標(biāo)優(yōu)化問題的提出

鋁合金汽車零部件擠壓鑄造過程是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題。零件的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度和延伸率）、表面質(zhì)量（表面粗糙度）和內(nèi)部質(zhì)量（縮孔和氣孔缺陷）是評(píng)價(jià)擠壓鑄造零件性能的三個(gè)核心指標(biāo)。然而，這些指標(biāo)對(duì)工藝參數(shù)的響應(yīng)往往是相互矛盾的。例如，提高液態(tài)金屬溫度可改善鑄件表面質(zhì)量，但會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能下降；降低模具溫度有利于獲得較高的力學(xué)性能，但表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量可能惡化。因此，如何在多個(gè)性能指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡，獲得綜合性能最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，是鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝優(yōu)化面臨的關(guān)鍵問題。

本文基于正交試驗(yàn)結(jié)果，采用加權(quán)法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題。首先，對(duì)每個(gè)性能指標(biāo)賦予一定的權(quán)重，根據(jù)指標(biāo)的重要程度確定權(quán)重系數(shù)。然后，將各指標(biāo)值乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，再求和得到綜合性能評(píng)價(jià)值。最后，以綜合性能評(píng)價(jià)值為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合正交試驗(yàn)的極差分析和方差分析，確定各工藝參數(shù)的最優(yōu)水平組合。本文選取的權(quán)重系數(shù)為抗拉強(qiáng)度0.35、延伸率0.25、表面粗糙度-和內(nèi)部缺陷的權(quán)重系數(shù)-0.2，突出了力學(xué)性能在汽車零部件性能要求中的重要地位。

3.2 基于正交試驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)優(yōu)化

為了揭示擠壓速度、模具溫度和液態(tài)金屬溫度對(duì)AC4D鋁合金汽車零部件性能的影響規(guī)律，本研究采用L9（34）正交表安排試驗(yàn)，每個(gè)工藝參數(shù)選取三個(gè)水平，分別測(cè)試鑄件的抗拉強(qiáng)度、延伸率、表面粗糙度和內(nèi)部缺陷面積分?jǐn)?shù)。將測(cè)試結(jié)果代入綜合性能評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算得到各試驗(yàn)方案下的綜合性能評(píng)價(jià)值。由表可見，試驗(yàn)方案3的綜合性能評(píng)價(jià)值最高，為0.785；其次是試驗(yàn)方案6和試驗(yàn)方案2，綜合性能評(píng)價(jià)值分別為0.682和0.654。對(duì)比試驗(yàn)方案3、6、2的因素水平組合可知，擠壓速度、模具溫度和液態(tài)金屬溫度的優(yōu)選水平分別為0.6m/s、225℃和700℃。

為進(jìn)一步分析各因素對(duì)鑄件綜合性能的影響顯著性，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析。由各因素的綜合性能評(píng)價(jià)值的極差分析結(jié)果可以看出，擠壓速度和液態(tài)金屬溫度對(duì)鑄件綜合性能的影響較為顯著，極差R分別達(dá)到0.215和0.174；而模具溫度的影響相對(duì)較小，極差R為0.094。這表明在擠壓鑄造工藝優(yōu)化時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和控制擠壓速度和液態(tài)金屬溫度，而模具溫度的影響相對(duì)次要。

表1為正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析。由表可見，擠壓速度和液態(tài)金屬溫度的F值分別為28.46和19.37，均大于臨界值F0.01（2，2）=99.00，表明這兩個(gè)因素對(duì)鑄件綜合性能的影響達(dá)到了極顯著水平（P<0.01）；而模具溫度的F值為5.38，大于臨界值F0.05（2，2）=19.00，但小于F0.01（2，2），表明其影響達(dá)到顯著水平（0.01<P<0.05）。這與極差分析的結(jié)果相一致，進(jìn)一步證實(shí)了擠壓速度和液態(tài)金屬溫度是影響鋁合金汽車零部件擠壓鑄造質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)，在工藝優(yōu)化時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮；而模具溫度雖然影響相對(duì)次要，但也不可忽視，應(yīng)在合理范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)選。

綜上，通過正交試驗(yàn)和多目標(biāo)優(yōu)化，得到鋁合金汽車零部件擠壓鑄造的最佳工藝參數(shù)組合為：擠壓速度0.6m/s、模具溫度225℃、液態(tài)金屬溫度700℃。在該參數(shù)組合下，可兼顧鑄件的力學(xué)性能、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，獲得綜合性能最優(yōu)的鋁合金汽車零部件。

3.3 優(yōu)化工藝參數(shù)下零件性能的對(duì)比

為驗(yàn)證優(yōu)化工藝參數(shù)的有效性，分別在優(yōu)化參數(shù)（擠壓速度0.6m/s、模具溫度225℃、液態(tài)金屬溫度700℃）和基準(zhǔn)參數(shù)（擠壓速度0.4 m/s、模具溫度200℃、液態(tài)金屬溫度680℃）下制備鋁合金汽車控制臂，對(duì)其力學(xué)性能、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷進(jìn)行對(duì)比測(cè)試?？梢钥闯觯瑑?yōu)化工藝參數(shù)下鑄件的各項(xiàng)性能指標(biāo)均得到明顯改善。鑄件抗拉強(qiáng)度從基準(zhǔn)參數(shù)下的263 MPa提高到285 MPa，提高了8.4%；延伸率從5.2%增加到7.6%，提高了46.2%。這主要得益于優(yōu)化的擠壓速度和液態(tài)金屬溫度改善了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，獲得了更加致密均勻的凝固組織。與此同時(shí)，表面粗糙度Ra從0.58μm降低至0.41μm，鑄件表面光潔度顯著提高。這是由于適中的模具溫度和較高的液態(tài)金屬溫度改善了液態(tài)金屬在型腔表面的充填能力，減少了表面缺陷[5]。此外，優(yōu)化工藝條件下鑄件的內(nèi)部縮孔缺陷面積分?jǐn)?shù)從1.35%降低到0.76%，氣孔缺陷尺寸明顯減小。X射線檢測(cè)結(jié)果直觀地展現(xiàn)了內(nèi)部缺陷的改善情況。因此，正交試驗(yàn)優(yōu)化得到的擠壓鑄造工藝參數(shù)能夠在提高鋁合金零件力學(xué)性能的同時(shí)，兼顧表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，較好地實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)的平衡，為鋁合金汽車零部件的性能提升提供了有力保障。

需要指出的是，本文獲得的最佳工藝參數(shù)是基于所選鋁合金材料AC4D和特定的汽車控制臂零件而得出的，并不能直接推廣到其他鋁合金材料體系和零件類型。對(duì)于不同的鋁合金汽車零部件，需要根據(jù)其材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，針對(duì)性地開展擠壓鑄造工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。雖然正交試驗(yàn)法可以用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較全面的因素影響規(guī)律，但無(wú)法深入揭示因素之間的交互作用效應(yīng)。后續(xù)研究中，可采用響應(yīng)面法等試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建工藝參數(shù)與鑄件性能之間的定量關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)擠壓鑄造工藝的智能化優(yōu)化與控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過正交試驗(yàn)系統(tǒng)研究了擠壓鑄造的工藝參數(shù)對(duì)鋁合金汽車零部件性能的影響規(guī)律，得到了不同參數(shù)水平下力學(xué)性能、內(nèi)部缺陷和表面質(zhì)量的變化趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，提出了多目標(biāo)工藝參數(shù)優(yōu)化方法，獲得了兼顧零件性能與質(zhì)量的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。研究結(jié)果可為鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝的優(yōu)化和控制提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。今后還需開展工藝參數(shù)與零件組織性能的關(guān)聯(lián)研究，進(jìn)一步完善鋁合金汽車零部件擠壓鑄造的質(zhì)量控制體系。

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