文：合肥工业大学材料科学与工程学院梁军、周杰、杨友文、方晓刚
蔚来汽车科技（安徽）有限公司吴亮、陈劲松、梁国宗
安徽省数字化精密铸造制造业创新中心 刘继广
摘要：针对某汽车铝合金减震塔铸件的结构特征，设计了真空压铸浇注系统，并数值模拟了其真空压铸过程。研究了浇注温度、压射速度、模具温度和真空度对铸件质量的影响规律，设计正交实验得到最优的工艺参数（浇注温度720℃，压射速度2.5m/s，模具温度230℃，真空度25kPa）。针对铸件壁厚较大区域存在的缺陷，设计了补缩冒口，有效减少铸件的缩松缩孔缺陷，获得了品质良好的铸件。
关键词：减震塔；数值模拟；铝合金；真空压铸
随着人类文明水平的提高，可持续发展理念深入人心，汽车行业实现节能减排迫在眉睫。汽车轻量化不仅能实现对环境的保护，而且也对汽车自身的性能有所提高，例如汽车的舒适性、操纵稳定性和动力性。汽车行业中铝合金使用的场所越来越多，铝合金压铸件正在朝着“高性能化、薄壁化、复杂化、大型化”的目标发展。
本课题通过以铝代钢生产某新能源汽车铝合金减震塔，应用真空压铸技术一体化成型技术，减少减震塔重量，助力汽车轻量化。采用模流分析铝合金减震塔的充型、凝固和冷却过程，设计正交实验，通过分析不同工艺参数下的模拟结果，对比缩松缩孔缺陷，获得最佳工艺参数，为生产高品质的减震塔铸件提供铸造工艺指导。
1、减震塔结构与工艺性分析
减震塔三维模型见图1，该减震塔外形尺寸为504mm×430mm×415mm，质量约为4.7kg，体积约为1.76×106mm3，最大投影面积约为1.87×105mm2，平均壁厚约为3mm，该减震塔结构复杂，整体为一个弧形壳体，壁厚分布不均匀，属于薄壁、复杂件。铸件表面存在数条纵横交错的加强筋，其目的是为了保证减震塔在实际工况下具有足够的强度。减震塔中间圆形端面处是用来安放汽车减震器，减震器安放处附近的圆柱形凸台是减震塔承受载荷的加载点处，减震塔承受的力主要由其承担。为了提高减震塔的铸造性能与致密性，需要适当提高压射比压，防止压力过大导致合金黏模的风险增加。为了使零件顺利出模，在零件脱模方向的投影面内均匀布置顶针结构。顶针的形状为圆柱形凸台状，两边有加强筋连接。该铝合金减震塔材质为AlSi10MnMg，具体化学成分如表1所示。
2、减震塔高压压铸工艺设计
2.1浇注系统
选择该铸件的最大轮廓面为铸件分型面，这样铸件容易脱模，保证在充型过程中金属液流程短，尽量减少卷气、汇流与曲折现象。内浇口的位置选择在铸件较厚的地方，有利于补缩。溢流槽与排气系统也十分重要，它们可以起到消除铸件缺陷作用，同时也能改善压铸模具的热平衡状态，应该尽可能使其分布在铸件的分型面上。本课题中溢流槽的形状为梯型，且分布在分型面上，结构简单有利于排气和脱模，也方便了脱模后的切边处理。排气槽为曲折形，有效的避免了金属液喷射到模具之外的现象。
最终确定浇注系统参数数据见表2，设计出的浇注系统见图2。
2.2前处理参数
通过模流分析软件对铸件进行前处理，共划分面网格326430个，体网格14615351个，初步选取工艺参数，具体见表3。
铸件与模具之间的换热系数如表4。
2.3充型结果
图3为减震塔充型过程的模拟结果，当充型时间为1.3932s时金属液开始由内浇道进入铸件型腔，自由液面处的温度约为700℃；充型时间为1.4135s时减震塔本体基本充填完毕，溢流槽和排气槽开始充型，此时铸件温度分布均匀；到1.4227s时型腔充填完毕，充型过程时长约为0.03s。金属液较为平稳的进入型腔，且整体充型过程中无明显卷气紊流现象，充型速度平稳，表明浇注系统设计合理。
图4为减震塔充填完成结果显示云图，充填时间从远离内浇口位置逐渐变长，溢流槽和排气槽都晚于铸件本体充型。图4b为充型结束后铸件的温度分布，型腔中金属液的温度基本都大于670℃，说明铸件没有提前凝固，型腔整体的温度分布合理，温度梯度也较小。铸件中间安装减震器处以及铸件末端的4个凸台处温度明显高于铸件其他部位，这是因为这些部位厚度较大，形成了热节区域，如果得不到周围金属液补缩最终会形成缩松缩孔。图4c为充型的卷气结果，可以看出减震塔本体部分卷气量极低，而右侧溢流槽位置以及末端排气槽位置卷气量大，卷气集中在这些位置有利于气体的排出。
图5为铸件的凝固过程模拟结果，铸件已经基本实现了顺序凝固，在铸件凝固60％时（图5b），铸件中其他区域基本已经凝固，唯有圈中的区域还没有凝固，原因是此处壁厚较大，冷却速度较慢，没有及时得到周围金属液的补缩，形成了孤立液相区，而缩松缩孔等缺陷极易出现在这些区域。减震塔缺陷模拟结果显示（图6），铸件总体的缺陷体积约为34.06cc，铸件本体出现缩松缩孔概率在10％-15％。
从图6可以看出，在图5b圈中的区域形成了较多的缩松缩孔，铸件加强筋交汇处存在少量的缩松缩孔，溢流槽与排气槽存在大量的缩松缩孔。在后续的工艺改进方案中应该重点减少圈内区域的缺陷数量。
2.4工艺参数对铸件质量的影响
2.4.1单因素变量实验
对于真空压铸而言，影响铸件最终成品质量的因素有很多，在这里选取浇注温度、压射速度、模具预热温度与型腔真空度这四个变量进行单因素变量实验。表5为在单因素变量影响下，铸件缺陷等相关数据。
图7a表示浇注温度与铸件最终产生缩松缩孔数量之间的关系，由图中数据以及表5的数据可以看出浇注温度对铸件的缩松缩孔缺陷影响最大，数据的离散化程度也最大。随着浇注温度的升高，缺陷数量也随之增高，当浇注温度为640℃时，铸件的缺陷体积为30.85cc，此时铸件质量最好。
图7b表示压射速度与铸件最终产生缩松缩孔数量之间的关系，压射速度的变化对铸件缺陷数量的影响较小，在压射速度为2.5m/s时，铸件缺陷数量最小。
图7c表示模具温度与铸件最终产生缩松缩孔数量之间的关系，在一定的模具温度范围内，铸件的缩松缩孔缺陷是随模具温度的升高而减少的，在模具温度为230℃时，铸件质量最好。
图7d表示型腔真空度与铸件最终产生缩松缩孔数量之间的关系，型腔真空度对铸件的缩松缩孔缺陷影响较小，数据的离散化程度也小，随着型腔真空度的增加，缺陷数量呈减少趋势，当型腔真空度为5kPa时，缺陷体积为33.70cc，此时铸件的成品质量最佳。
2.4.2正交实验
在设计4因素4水平的正交实验时，将浇注温度作为主要影响因素，设计出的正交实验因素水平表如表6所示。
根据上述实验方案，对各组实验进行有限元模拟，数据结果见表7。
采用极差分析法分析正交实验的结果，浇注温度的极差最大，即对铸件质量影响最大，型腔真空度的极差最小，模具预热温度与压射速度的极差在其之间，最优的工艺参数方案为A1B1C4D2，即浇注温度：640℃；压射速度：2.5mm/s；模具预热温度：230℃；型腔真空度：25kPa。使用以上最佳工艺参数对铸件进行模拟，图8为铸件缩松缩孔分布图，此时仍然有大量缩松缩孔分布在图5中的圈中区域，铸件总的缩松缩孔体积约为30.09cc，比表7正交实验中任何一组数据的缺陷数量都要少，因此通过最优工艺参数减少了铸件的缺陷数量。
3、浇注工艺方案优化与验证
3.1浇注工艺方案优化
由图8我们可以得知在最优的工艺参数下，大量的缩松缩孔依旧聚集在铸件的壁厚区域，这是因为这些区域形成孤立液相区，没有金属液对其进行补缩，工艺参数的优化无法改变其凝固顺序，此时需要优化浇注方案，因此针对铸件壁厚大的区域设置冒口，优化后的浇注方案见图9。
3.2浇注工艺方案优化后铸件的凝固过程分析
选择最佳工艺参数对优化后浇注方案进行模拟，图10为铸件的凝固过程，在铸件凝固20％时（图10a），铸件的温度在590-600℃之间，壁厚较大的区域温度可达610℃左右，在壁厚处设置的冒口温度大约在620℃，冒口晚于壁厚大的区域凝固，冒口为壁厚大的区域在凝固的时候提供了足量的金属液，为缩松缩孔全部转移到冒口提供了条件，冒口设置合理。在铸件凝固50％时，铸件整体的温度低于固相线，大多数区域已经凝固，尚未凝固的厚壁区域的温度大概560℃。在铸件凝固80％时，厚壁区域的温度已经低于固相线，已经凝固，只有冒口和溢流槽尚未凝固。在铸件的整个凝固过程中，基本实现了顺序凝固，铸件的温度变化也较为均匀，冒口为厚壁的区域进行了补缩。
图11为优化后铸件的缺陷分布云图。从模拟结果我们可以得知，冒口的作用十分显著。之前聚集在铸件厚大区域内的大量缩松缩孔得到明显的改善，铸件大部分的缩松缩孔转移到冒口中，此时缩松缩孔基本上分布在铸件加强筋部位。在实际生产中，加强筋部位在充型的时候，流动性较好，出现缺陷的几率也是较小的。优化后铸件的缩松缩孔体积为2.8cc，出现缺陷的概率在10％-15％，铸件缺陷体积较优化前已经有了很大的减少，铸件的质量得到明显的提高。
4、结论
（1）根据减震塔铸件自身的结构特征，设计初步浇注系统，对其进行模拟分析，浇注系统充型平稳，卷气量少，验证了浇注系统设计合理性。
（2）分析了浇注温度、压射速度、模具温度与型腔真空度工艺参数对铸件的影响规律；设计正交实验，以铸件的缺陷数量为指标得到最优的工艺参数：浇注温度720℃，压射速度2.5m/s，模具温度230℃，型腔真空度25kPa。
（3）通过在铸件厚壁区域设置冒口，优化了浇注工艺方案，使铸件缩松缩孔体积降至2.8cc，得到了质量良好的铸件。
