童 洲，江麗珍，韓 偉，段海峰

（廣州城市理工學(xué)院機械工程學(xué)院，廣東 廣州 501800）

目前國內(nèi)大多數(shù)新能源汽車生產(chǎn)廠家為了適應(yīng)車身輕量化和降低制造成本的需要，紛紛采用了低壓鑄造成型的一體化副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計。一體化的副車架設(shè)計，可以有效提高產(chǎn)品功能集成度、減輕重量并降低制造成本。但同時副車架一體化的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計使低壓鑄造的零件結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，并常常因為鑄件重量的減輕而增大了內(nèi)部砂芯的體積占比，使低壓鑄造過程產(chǎn)生卷氣、縮松和縮孔等缺陷的趨勢增加。其中縮松和縮孔缺陷容易破壞鑄件的內(nèi)部組織致密度，降低副車架關(guān)鍵部位的力學(xué)性能。因此需要運用CAE 軟件對鑄件重點位置的凝固結(jié)晶進行模擬預(yù)測缺陷，再采用智能化的設(shè)備精準(zhǔn)控制充型凝固質(zhì)量[1]。

1 工藝方案和優(yōu)化流程

圖1 為廣州某電動汽車廠家創(chuàng)新設(shè)計的一體化副車架零件和砂芯3D 圖，與傳統(tǒng)的燃油車副車架四邊框架形狀相比，新設(shè)計的電動車副車架空間形狀結(jié)構(gòu)更加緊湊復(fù)雜，中間拱起的拱橋曲面位置容易產(chǎn)生縮松、氣孔和縮孔缺陷。為了確保副車架鑄件內(nèi)部結(jié)晶組織成型質(zhì)量，達到工作過程高強度負載時安全可靠的要求，實踐中需要運用CAE 軟件對低壓鑄造工藝過程進行綜合性的數(shù)值模擬，并采用正交試驗的方法對副車架低壓鑄造的鋁液充型溫度、模具預(yù)熱溫度、充型壓力和冷卻控制等因素進行正交數(shù)據(jù)試驗[2]。從統(tǒng)計學(xué)的角度出發(fā)以組合的參數(shù)計算缺陷發(fā)生的可能性，結(jié)合數(shù)字化的低壓鑄造設(shè)備模具溫度控制、壓力分段精細化控制和綜合冷卻控制等方法進行智能化控制，提高副車架低壓鑄造質(zhì)量，具體從以下幾方面進行研究。

圖1 副車架零件和砂芯3D 圖

副車架低壓鑄造過程缺陷的影響因素較多，一種缺陷的產(chǎn)生往往是幾種工藝因素相互交織作用的結(jié)果，因此單獨改進其中一種工藝參數(shù)難以達到質(zhì)量綜合提升的效果。隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，在CAE 軟件中運用組合缺陷和概率缺陷預(yù)測方法進行模擬仿真，為運用正交試驗提供各種工藝試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，幫助技術(shù)人員進行分析優(yōu)化，從而選擇最佳參數(shù)組合，便可通過數(shù)字化控制的低壓鑄造設(shè)備實現(xiàn)精準(zhǔn)工藝參數(shù)控制。

1.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

副車架在汽車行駛過程中承受長時間動態(tài)負載工作，因此對鋁合金內(nèi)部組織致密度要求較高，需要在確定低壓鑄造生產(chǎn)前進行數(shù)值模擬比較分析，尋求合理適用的工藝參數(shù)方案。圖1 所示的副車架材料為A356 高強度鋁合金，外形尺寸為962 mm×652 mm×326 mm，壁厚在3～6 mm 之間，質(zhì)量為7.31 kg。鑄件的外形部分結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，主要形狀集中在上模腔內(nèi)成型。預(yù)設(shè)的低壓鑄造順序凝固方案是鋁合金液體在低壓鑄造氣壓作用下經(jīng)升液管進入澆注系統(tǒng)后再進入模腔，在底部的外加壓力作用下，以自上而下的順序進行凝固，使鑄件內(nèi)部形成較為致密的結(jié)晶組織，接近澆口的位置以及下部最后凝固[3]。如圖2 所示，由于副車架零件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多個方向發(fā)散延伸，內(nèi)部的樹脂砂芯厚度形狀變化多，砂芯與鋁液反應(yīng)生成的發(fā)氣量也隨之增大，因此需要在副車架鑄件周圍各個位置設(shè)計分散的冒口，既有利于充型凝固過程的排氣，也希望能從多個方向和位置進行補縮。

圖2 副車架低壓鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計

1.2 正交試驗?zāi)M優(yōu)化流程

汽車鋁合金結(jié)構(gòu)件的一體化壓鑄成型技術(shù)發(fā)展日趨復(fù)雜，因此CAE 仿真軟件通常使用多種判據(jù)因素進行概率預(yù)測，其中的組合缺陷參數(shù)中包含了溫度梯度、冷卻速度、壓力控制和凝固冷卻等工藝參數(shù)[4]。圖3 是副車架低壓鑄造工藝的優(yōu)化流程，依據(jù)正交試驗數(shù)據(jù)分析，可以在相互交織作用的工藝因素中找出影響因子權(quán)重排列先后次序，并針對副車架零件結(jié)構(gòu)拱橋重點部位的致密度要求和砂芯形狀等因素，以追求零件能實現(xiàn)預(yù)設(shè)的順序凝固為目標(biāo)，選擇最佳參數(shù)組合；再結(jié)合HDTD-800 低壓鑄造機數(shù)字化低壓鑄造設(shè)備對相關(guān)工藝參數(shù)的精密控制功能，對低壓鑄造過程進行優(yōu)化控制。此外，還可以記錄評估每次改進優(yōu)化的凝固質(zhì)量情況，形成低壓鑄造工藝數(shù)據(jù)庫。

圖3 副車架凝固質(zhì)量改進流程圖

2 缺陷模擬及正交試驗方案設(shè)計

正交試驗?zāi)軌驈亩喾N工藝因素交織作用產(chǎn)生的質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)果中找出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，因此常被用來進行低壓鑄造這類在充型溫度、模具預(yù)熱溫度、壓力增速和凝固冷卻控制等多種工藝參數(shù)綜合影響下的工藝優(yōu)化[5]。本次試驗基于CAE軟件仿真分析的缺陷預(yù)測結(jié)果，以副車架低壓鑄造工藝的數(shù)值模擬過程進行正交試驗設(shè)計，采用極差分析的方法尋找副車架低壓鑄造工藝參數(shù)的最優(yōu)方案。

2.1 缺陷模擬

副車架低壓鑄造生產(chǎn)的重點質(zhì)量目標(biāo)要求為保證拱橋位置的致密度，減少拱橋凸起曲面的凝固縮松等缺陷的發(fā)生。實踐中結(jié)合低壓鑄造工藝設(shè)計的普遍規(guī)律以及工藝仿真的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，在熱傳導(dǎo)、充型壓力變化和充型速度控制等方面，對副車架低壓鑄造充型過程按初始條件進行了數(shù)值模擬和缺陷預(yù)測，其中數(shù)值模擬所采用的初始工藝參數(shù)采用表1 所示。

表1 副車架低壓鑄造數(shù)值模擬初始參數(shù)表

（1）首先進行充型過程中，鋁液、模具和涂料之間的傳熱情況模擬。如圖4 所示，低壓鑄造充型過程中在模具、鋁液、砂芯和涂料之間發(fā)生交互作用的熱傳導(dǎo)，AnyCasting 軟件求解過程是根據(jù)多個模擬傳感器產(chǎn)生的溫度變化數(shù)據(jù)，采集模具、鋁液、砂芯和涂料等各種熱傳導(dǎo)參與元素的溫度梯度變化值[5]。通過預(yù)測可以看出，預(yù)設(shè)理想的凝固順序并沒有實現(xiàn)，頂部拱橋位置的溫度一直高于其他部位，涂料及模具冷卻傳熱并沒有使該部位先冷卻凝固，因此拱橋位置存在發(fā)生凝固缺陷的趨勢。

圖4 副車架低壓鑄造熱傳導(dǎo)過程模擬

（2）其次進行充型速度和凝固順序模擬。如圖5a、b 所示，從副車架充型模擬凝固的結(jié)果可以看出，補縮距離最長的位置為頂部的曲面拱橋位置，一方面來自升液管自下而上的低壓鑄造機壓力對頂部拱橋位置的補縮距離較長，造成致密度降低[6]；另一方面從鑄件周邊澆注系統(tǒng)產(chǎn)生的補縮作用也是最后到達頂部拱橋位置，因此頂部拱橋位置最有可能產(chǎn)生縮松缺陷。

圖5 副車架充型速度和凝固順序模擬

（3）最后再進行缺陷位置預(yù)測模擬。如圖6a所示，AnyCasting 軟件的低壓鑄造模塊求解過程中通過溫度梯度、冷卻率和鑄件局部凝固時間等因素進行概率運算，并綜合了充型溫度、模具預(yù)熱溫度、壓力增速和凝固冷卻控制等多方面工藝因素交織影響。根據(jù)圖6b 的模擬結(jié)果可以看出，副車架凝固時間較短的曲面將凝固時間較長拱橋的區(qū)域包圍，造成了來自底部和周邊區(qū)域的補縮通道被截斷，使拱橋區(qū)域成為孤立液相，因此最后凝固的拱橋位置發(fā)生縮孔、縮松和氣孔的缺陷傾向也隨之增大[6]。所以副車架低壓鑄造生產(chǎn)的重點質(zhì)量目標(biāo)應(yīng)該是保證拱橋位置的結(jié)晶致密度，減少拱橋凸起曲面的凝固縮松的發(fā)生。

圖6 副車架拱橋凸起位置的縮松缺陷模擬

2.2 正交模擬試驗數(shù)據(jù)及分析

通過上述的凝固缺陷關(guān)聯(lián)因素分析，選擇鋁液溫度、保壓壓力、模具預(yù)熱溫度和冷卻凝固時間這四個因素作為試驗因素，在合理的取值范圍內(nèi)，按四個工藝因素三水平（如表2 所示）建立正交試驗，共生成9 個參數(shù)組合方案，經(jīng)過簡化模擬得到試驗數(shù)據(jù)如表3 所示。仿真分析過程通過鑄件的體積收縮率和孔隙率總體積均值大小的評價方法來對凝固質(zhì)量進行直接判斷，凝固后的孔隙總體積的數(shù)值越大，則說明縮松和縮孔缺陷的產(chǎn)生趨勢越大。因此通過每組工藝數(shù)據(jù)產(chǎn)生的孔隙總體積預(yù)測數(shù)據(jù)，判斷鑄件拱橋形狀位置的缺陷趨勢大小。

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗方案結(jié)果

其中鋁液溫度是指在低壓鑄造機爐內(nèi)的溫度，保壓壓力是指增壓后的保持壓力補縮階段的壓力值，模具預(yù)熱溫度是指上、下和側(cè)模三部分的平均預(yù)熱溫度。冷卻凝固時間是指鋁液進入升液管開始充型，到凝固完成模具打開的時間，冷卻凝固時間越長則保壓時間也相應(yīng)增長[7]。

從表3 中極差R 的大小可以分析出在本試驗所選定的條件范圍內(nèi)，各工藝參數(shù)對副車架拱橋形狀位置縮松缺陷的影響從強到弱排列順序為：保壓壓力＞冷卻時間＞模具預(yù)熱溫度＞鋁液溫度。

3 基于正交試驗分析結(jié)果的優(yōu)化方案

根據(jù)正交試驗數(shù)據(jù)分析所得到的工藝因素權(quán)重排序，便可以在電動汽車副車架的低壓鑄造生產(chǎn)過程中對保壓壓力和冷卻時間進行重點控制。在低壓鑄造機設(shè)備的工藝參數(shù)設(shè)置階段，通過對保壓壓力的精細化分段和冷卻通道的自動化開閉控制，實現(xiàn)副車架低壓鑄造的數(shù)字化凝固質(zhì)量控制。

3.1 基于正交試驗結(jié)果的壓力控制

從圖5 的充型速度和時間模擬過程得知，鋁液完全充型進入到副車架模腔每個角落，再到包括澆注系統(tǒng)在內(nèi)的凝固完成的這段時間內(nèi)，正是副車架重點位置完成補縮凝固的重要環(huán)節(jié)。此時升液箱內(nèi)部需要保持一定的壓力并且分段進行壓力補償，才能對副車架最后凝固的位置進行補縮。如圖7a、b 所示，運用HDTD-800 低壓鑄造機的數(shù)字化智能壓力控制功能，在低壓鑄造機的操控界面按F14 鍵進入壓力設(shè)定畫面，選擇壓力控制方式為懸浮控制并輸入產(chǎn)品所需要的壓力段數(shù)，將保壓階段細化為8 個段次，延長保壓時間，根據(jù)凝固過程的需要進行數(shù)字化分段卸壓控制，對零件頂部拱橋重點位置進行結(jié)晶增壓補縮，并生成相應(yīng)的壓力- 時間曲線數(shù)據(jù)變化圖表。

圖7 低壓鑄造機壓力分段設(shè)置及壓力- 時間變化曲線圖

3.2 基于正交試驗結(jié)果的冷卻控制

HDTD-800 低壓鑄造機的冷卻系統(tǒng)采用了多通道差異化方式進行冷卻時間自動控制，通過差異化控制模具局部的溫度變化延長和細化鑄件冷卻時間，特別適合副車架這類冷卻通道設(shè)計較復(fù)雜的鑄件。在模具安裝冷卻通道的各個位置安裝快速熱偶，檢測模具溫度，當(dāng)模具溫度高于設(shè)定溫度的時候打開冷卻通道的電磁閥，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度的時候關(guān)閉電磁閥，實現(xiàn)真正意義上的模具溫度- 冷卻時間時序控制。如圖8a、b 所示為HDTD-800 低壓鑄造機模具壓力、和冷卻溫度控制監(jiān)控操作面板圖。

圖8 低壓鑄造機冷卻控制設(shè)置及監(jiān)控

每條冷卻通道都安裝了玻璃流量計，便于現(xiàn)場觀察調(diào)整流量，精確控制冷卻量，配合各種不同鑄件的工藝需求設(shè)定合理的鑄件順序凝固溫度場，提高凝固質(zhì)量控制精細化水平[9]。每個通道都可以通過開關(guān)調(diào)整各電磁閥的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)自動時間控制、自動溫度控制以及自動綜合控制功能。針對副車架拱橋位置冷卻速度慢于其他區(qū)域及補縮冒口的情況，將拱橋位置對應(yīng)的冷卻通道開閉時間適當(dāng)提前并加大流量，同時延緩其他區(qū)域及補縮冒口位置冷卻通道的開啟時間并減少流量，則可加快副車架拱橋位置的相對冷卻速度，實現(xiàn)預(yù)設(shè)的凝固順序并提高凝固質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過AnyCasting 軟件對副車架低壓鑄造缺陷預(yù)測模擬和正交試驗數(shù)據(jù)分析，以及對通過調(diào)整低壓鑄造機壓力分段和冷卻控制，得出以下結(jié)論：

（1）從副車架充型模擬凝固的結(jié)果可以看出，曲面拱橋位置由于最先冷卻凝固和補縮距離最長，加之補縮通道容易被截斷使拱橋區(qū)域成為孤立液相，因此最有可能產(chǎn)生縮松、縮孔和氣孔缺陷。

（2）通過對副車架低壓鑄造工藝的數(shù)值模擬過程進行正交試驗設(shè)計，探究不同工藝參數(shù)對鑄件凝固質(zhì)量的影響，按四因素三水平正交試驗的流程進行模擬仿真，并對最終數(shù)據(jù)進行分析[10]。結(jié)果表明，各工藝參數(shù)對副車架拱橋形狀位置縮松缺陷的影響從強到弱排列順序為：保壓壓力＞冷卻時間＞模具預(yù)熱溫度＞鋁液溫度。

（3）根據(jù)正交試驗數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果，結(jié)合設(shè)備的數(shù)字化控制功能，通過在電動汽車副車架低壓鑄造生產(chǎn)過程中對保壓壓力的精細化分段和冷卻通道的自動化開閉控制，能夠?qū)崿F(xiàn)副車架低壓鑄造的數(shù)字化凝固質(zhì)量控制。

在實際生產(chǎn)應(yīng)用中還需要通過對CAE 智能模擬分析和生產(chǎn)實踐的深入應(yīng)用，不斷總結(jié)出更成熟和系列化的工藝技術(shù)，并生成覆蓋副車架鑄件的不同型號種類的工藝數(shù)據(jù)庫，滿足新能源電動汽車副車架的大批量生產(chǎn)需要。