復(fù)雜結(jié)構(gòu)ADC12鋁合金汽車支架擠壓鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化

樸俊杰，姜博,1b*，胡茂良，王曄，吉澤升,，SUGIYAMA Sumio，許紅雨，王云龍，張永冰

復(fù)雜結(jié)構(gòu)ADC12鋁合金汽車支架擠壓鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化

樸俊杰1a，姜博1a,1b*，胡茂良1a，王曄1a，吉澤升1a,2，SUGIYAMA Sumio3，許紅雨1a，王云龍2，張永冰2

（1.哈爾濱理工大學(xué) a.材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 b.先進(jìn)制造智能化技術(shù)教育部重點實驗室，哈爾濱 150080；2.哈爾濱吉星機(jī)械工程有限公司，哈爾濱 150060；3.東京大學(xué) 生產(chǎn)技術(shù)研究所，東京 153-8505）

解決ADC12鋁合金汽車發(fā)動機(jī)支架在擠壓鑄造成形工藝下的缺陷問題。利用ProCAST模擬軟件對該汽車發(fā)動機(jī)支架的擠壓鑄造充型和凝固過程進(jìn)行模擬，對擠壓鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗設(shè)計并模擬得到最佳工藝參數(shù)，對鑄件澆注遠(yuǎn)端厚壁部位采取局部加壓優(yōu)化措施，并對厚壁部位進(jìn)行X-Ray探傷，觀察鑄件的缺陷情況。對擠壓鑄造的工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗極差分析后，發(fā)現(xiàn)各工藝參數(shù)按對鑄件凝固后質(zhì)量的影響程度從大到小的順序依次為擠壓比壓、澆注溫度、模具溫度。通過正交試驗得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)為澆注溫度730 ℃、模具溫度300 ℃、擠壓比壓150 MPa。局部加壓時擠壓銷的最佳激活時間為4 s，此時可以完全消除鑄件內(nèi)部的縮孔縮松缺陷。選擇優(yōu)化后的工藝參數(shù)生產(chǎn)該汽車發(fā)動機(jī)支架，產(chǎn)品外觀完整，沒有出現(xiàn)表面裂紋等缺陷。在X-Ray探傷下無明顯缺陷，內(nèi)部質(zhì)量良好。選擇合理的澆注溫度、模具溫度和擠壓比壓可以有效減少鑄件內(nèi)部的縮孔縮松缺陷，采用局部加壓并合理控制擠壓銷的激活時間可以完全消除縮孔縮松缺陷。

ADC12鋁合金；擠壓鑄造；數(shù)值模擬；局部加壓；鑄造缺陷

擠壓鑄造是一種將鑄造和鍛造的優(yōu)點集為一體的先進(jìn)鑄造成形技術(shù)，它通過施加較高的壓力對液態(tài)金屬進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)縮，從而可以獲得組織致密、力學(xué)性能高的精密鑄件[1]。擠壓鑄造技術(shù)已經(jīng)在汽車、船舶、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。喬崗平等[2]使用ProCAST對鋁合金制動鉗的擠壓鑄造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了擠壓速度對液體流動狀態(tài)及充型缺陷的影響，并根據(jù)制動鉗結(jié)構(gòu)確定出最優(yōu)的擠壓速度。黃海峰等[3]使用ProCAST對鋁合金飛輪殼擠壓鑄造的充型和凝固過程進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，金屬液沒有按照順序凝固，產(chǎn)生了縮松縮孔缺陷，根據(jù)模擬結(jié)果增加冷卻系統(tǒng)后，消除了大部分缺陷。Wang等[4]采用半固態(tài)擠壓鑄造工藝制備了鋁合金渦旋盤，利用ProCAST研究了澆注溫度和擠壓速度等工藝參數(shù)對合金充型和凝固過程的影響。由此可見，使用ProCAST軟件對壓鑄件的鑄造過程進(jìn)行數(shù)值模擬可以預(yù)測鑄造缺陷，以便于獲得缺陷小、力學(xué)性能好的鑄造產(chǎn)品[5-7]。然而在實際生產(chǎn)中，對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，僅通過擠壓鑄造的方式仍不能完全消除鑄造缺陷。解決這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的鑄造缺陷已成為當(dāng)今的研究熱點[8-10]。

本文以復(fù)雜結(jié)構(gòu)擠壓鑄造鋁合金汽車支架為研究對象，采用ProCAST軟件進(jìn)行模擬分析，通過正交試驗對澆注溫度、模具溫度和擠壓比壓等關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，引入局部加壓技術(shù)對缺陷進(jìn)行調(diào)控，從而獲得最佳鑄造工藝參數(shù)，以期為ADC12鋁合金汽車支架的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析與模擬參數(shù)設(shè)置

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

以ADC12鋁合金汽車發(fā)動機(jī)支架為研究對象。汽車發(fā)動機(jī)支架三維模型和實物如圖1所示。該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間部分為薄壁，上下兩端為厚壁。該零件長度為247.43 mm，最大高度為98.64 mm，中間薄壁處最小壁厚為6.53 mm，澆注遠(yuǎn)端厚壁部位最大壁厚為35.52 mm，鑄件頂端厚壁部位最大壁厚為30.71 mm。

圖1 發(fā)動機(jī)支架三維模型和實物圖

材料選用ADC12鋁合金，其熱物性參數(shù)[11-12]如表1所示。在ProCAST材料數(shù)據(jù)庫中添加ADC12鋁合金并輸入其元素成分。在劃分網(wǎng)格之前采用ProCAST中的Geometry-Basic shapes畫出虛擬模具并預(yù)留出澆口，模具材料為H13鋼。設(shè)置模具和外界環(huán)境的換熱形式為空冷[13-15]。將鑄件的三維模型以stp.格式導(dǎo)入ProCAST中進(jìn)行非均勻性面網(wǎng)格和體網(wǎng)格劃分。由于對中間薄壁部分的精度要求較高，因此將中間部分點間距設(shè)置為2 mm；考慮到模擬精度和效率，將其他部分點間距設(shè)置為3 mm；模具結(jié)構(gòu)相對簡單，按照經(jīng)驗，模具的網(wǎng)格間距設(shè)置較大，取6 mm。二維面網(wǎng)格總數(shù)量為185 412，三維體網(wǎng)格總數(shù)量為2 384 528。

表1 ADC12熱物性參數(shù)

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

擠壓鑄造的關(guān)鍵工藝參數(shù)有澆注溫度、模具溫度、擠壓比壓、壓射速度[16]。壓射速度重點影響充型時的卷氣過程，因為擠壓鑄造的特點為低速充型高壓凝固，并且本課題重點是解決鑄造缺陷問題，因此將壓射速度設(shè)置為定值0.15 m/s[17-18]。此外，在數(shù)值模擬過程中，擠壓比壓的大小與金屬液和模具接觸的緊密性相關(guān)，越大，緊密性越強(qiáng)，其等效換熱系數(shù)越高。當(dāng)為0.1～190 MPa時，其等效換熱系數(shù)與壓力呈線性關(guān)系，等效換熱系數(shù)的計算如式（1）所示[19]。

1 990.5+94.8(1)

本文采用正交試驗以高效探究汽車發(fā)動機(jī)支架的最佳擠壓鑄造工藝參數(shù)。選取3個因素分別為澆注溫度（）、模具溫度（）、擠壓比壓（）。其中，澆注溫度選取630、680、730 ℃三個水平；模具溫度選取300、350、400 ℃三個水平；擠壓比壓選取80、120、150 MPa三個水平。正交試驗參數(shù)如表2所示。

表2 正交試驗參數(shù)

2 模擬結(jié)果與試驗驗證

2.1 過程流場

擠壓鑄造充型過程是合金熔體在沖頭擠壓力的作用下克服重力與復(fù)雜結(jié)構(gòu)阻力流動填充型腔的過程。在表2中試驗5工藝參數(shù)下得到的鑄件充型過程如圖2所示。合金熔體由下端面至上端面逐漸充滿整個型腔。合金熔體在充型時緩慢平穩(wěn)，無明顯飛濺和卷氣現(xiàn)象，這是因為充型速度0.15 m/s屬于低速充型，并且該模擬為反重力充型。在0.54 s時，如圖2a所示，合金熔體從澆道底部平穩(wěn)均勻向上填充，即將進(jìn)入鑄件型腔。在1.28 s時，如圖2b所示，合金熔體進(jìn)入鑄件型腔中，充滿型腔底端并快速充填到型腔薄壁部分，此時流動阻力較小，合金熔體的填充速度相對較快，同時合金熔體前沿流向設(shè)置的下溢流槽起到收集前沿裹氣、夾渣較多的低溫合金熔體的作用。在3.21 s時，如圖2c所示，合金熔體在鑄件型腔中逐漸充滿型腔的厚壁部位，此時合金熔體的壓力傳遞效率變小。在4.03 s時，如圖2d所示，上溢流槽成為充型過程中最后完成充填的結(jié)構(gòu)，有效提高了鑄件的質(zhì)量，此時合金熔體充滿整個型腔，充型過程結(jié)束。

圖2 5號鑄件充型模擬過程

為了探究該汽車發(fā)動機(jī)支架鑄造時的凝固過程，本文以表2中試驗5工藝參數(shù)下的凝固過程在6 s時的固相分布和鑄件在軸的某一截面圖為例進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖3a可知，由于合金熔體從下端面開始充型，導(dǎo)致型腔底端的固相率低于30%，鑄件中間部位的固相率達(dá)到80%，這是由于鑄件的中間薄壁部分與模具接觸面積較大，產(chǎn)生了溫度差，此部分溫度先達(dá)到固相線以上，導(dǎo)致此部分先凝固。澆注遠(yuǎn)端的厚壁部位表面固相率在50%左右，由圖3b可知，在澆注遠(yuǎn)端厚壁部位中心處出現(xiàn)了熱節(jié)，此處溫度較高，導(dǎo)致“孤立熔池”的存在，此部位中心的固相率為13%左右，說明在此部位，合金熔體仍處于液相線以下。鑄件的頂端厚壁中心部位固相率達(dá)到20%，這是由于從澆注遠(yuǎn)端到頂端，厚壁部位之間仍由一個薄壁連接，存在溫度差且壓力傳遞效率低，導(dǎo)致此部位溫度達(dá)到液相線以下，最終導(dǎo)致凝固順序改變。

圖3 試驗5鑄件6s時的固相率（a）和鑄件xz軸截面（b）

2.2 缺陷場

9組正交試驗參數(shù)下的缺陷場模擬結(jié)果如圖4所示。不同工藝參數(shù)下鑄件的模擬缺陷體積如圖5所示。由圖4可知，澆注遠(yuǎn)端厚壁部位和鑄件頂端厚壁部位均產(chǎn)生了較大的縮孔縮松缺陷。澆注遠(yuǎn)端厚壁部位處產(chǎn)生缺陷是由于鑄件中間部位較薄，與模具接觸面積較大，由于熱交換作用，此處先開始凝固，隨著凝固時間的延長，薄壁內(nèi)附近凝固的金屬殼越來越厚，于是充型壓力難以向上傳遞，故在厚壁部位處易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。鑄件頂端產(chǎn)生缺陷是由于澆注遠(yuǎn)端厚壁部位和頂端之間由薄壁連接，充型壓力不足導(dǎo)致產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。由圖4a和圖5可知，試驗1的縮孔縮松缺陷體積最大，為8.75 cm3，此時工藝參數(shù)為澆注溫度630 ℃、模具溫度300 ℃、擠壓比壓80 MPa。由圖4d和圖5可知，試驗4的縮孔縮松缺陷體積最小，為1.56 cm3，此時工藝參數(shù)為澆注溫度680 ℃、模具溫度300 ℃、擠壓比壓150 MPa。綜合分析可知，在相同條件下，擠壓比壓越大，縮孔縮松缺陷體積越小。

圖4 不同工藝參數(shù)下的缺陷場模擬結(jié)果

圖5 縮孔縮松缺陷體積

為了探究各個因素對評價指標(biāo)的影響規(guī)律以及權(quán)重，以缺陷體積為評價標(biāo)準(zhǔn)對正交試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果如表3所示。其中1、2、3分別表示在澆注溫度、模具溫度、擠壓比壓參數(shù)下同一水平的縮孔縮松體積之和的平均值[20]；代表極差，的大小可以反映充型過程中參數(shù)對鑄件充型與凝固質(zhì)量的影響，值越大，該參數(shù)對鑄件質(zhì)量的影響越大，反之越小。

表3 極差分析表

由表3可知，工藝參數(shù)最佳組合為313，即澆注溫度為730 ℃、模具溫度為300 ℃、擠壓比壓為150 MPa。極差分析結(jié)果表明：2＜1＜3，即在澆注過程中，擠壓比壓對鑄件充型凝固產(chǎn)生缺陷的影響最大，其次為澆注溫度，影響最小的是模具溫度。

3 局部加壓模擬與試驗驗證

3.1 局部加壓模擬參數(shù)設(shè)置

利用正交試驗法對擠壓鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了汽車發(fā)動機(jī)支架鑄造缺陷的關(guān)鍵影響因素。但在最佳工藝參數(shù)條件下仍存在一定尺寸的鑄造缺陷，此時鑄件的性能不能滿足使用要求。本文采用局部加壓技術(shù)對鑄件遠(yuǎn)澆口位置進(jìn)行鑄造缺陷控制，其原理是對型腔內(nèi)的半固態(tài)金屬液施加外在機(jī)械壓力，使其內(nèi)部強(qiáng)制補(bǔ)縮，以提升鑄件內(nèi)部的組織致密度，達(dá)到消除縮孔縮松的目的[21]。先采用ProCAST軟件中的Pin squeeze功能對厚壁部位進(jìn)行局部加壓[22-24]。局部加壓補(bǔ)縮裝置如圖6所示。局部加壓工藝參數(shù)包括擠壓銷直徑、擠壓銷行程、擠壓銷激活時間等。根據(jù)厚壁部位缺陷位置和經(jīng)驗估算出擠壓銷行程，設(shè)置為10 mm，根據(jù)厚壁部位特征，確定擠壓銷直徑為15 mm。在上述最佳工藝參數(shù)條件（澆注溫度730 ℃、模具溫度300 ℃、擠壓比壓150 MPa）下，著重控制擠壓銷激活時間以找到最佳的局部加壓工藝參數(shù)，保證縮孔縮松缺陷達(dá)到最小。

圖6 局部加壓裝置三維圖與加壓位置圖

當(dāng)澆注遠(yuǎn)端厚壁部位處的金屬液處于半固態(tài)時，激活擠壓銷[25]。以擠壓鑄造的充型和凝固過程時間點為依據(jù)，金屬液充滿型腔需要4 s，由圖3可知，在6 s時澆注遠(yuǎn)端的厚壁部位中心存在熱節(jié)，此時適合擠壓。為了保證工藝參數(shù)的連續(xù)性，共設(shè)置4組工藝參數(shù)（2、4、6、8 s），分別進(jìn)行4組局部加壓模擬試驗，探究擠壓銷合適的激活時間。

3.2 局部加壓模擬結(jié)果

通過ProCAST模擬軟件進(jìn)行4組局部加壓模擬試驗。不同激活時間下的缺陷場模擬結(jié)果如圖7所示。在激活時間為2 s時，澆注遠(yuǎn)端厚壁部位和鑄件頂端厚壁部位出現(xiàn)了縮孔縮松缺陷。當(dāng)激活時間為4 s時，澆注遠(yuǎn)端厚壁部位和鑄件頂端厚壁部位的縮孔縮松缺陷完全消除。當(dāng)激活時間為6 s時，澆注遠(yuǎn)端厚壁部位的縮孔縮松缺陷體積小于1 cm3。當(dāng)激活時間為8 s時，仍存在明顯的縮孔縮松缺陷。所以預(yù)測最佳擠壓銷的激活時間為4～6 s。

3.3 試驗驗證

對正交試驗各工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)，并對最優(yōu)擠壓鑄造工藝參數(shù)下的厚壁部位進(jìn)行局部加壓驗證。擠壓銷激活時間不同時的X-Ray探傷圖如圖8所示?？梢钥吹剑? s和8 s時，厚壁部位處和鑄件頂端厚壁部位均存在縮孔縮松缺陷；在4 s和6 s時無明顯缺陷，鑄件內(nèi)部質(zhì)量良好，與模擬結(jié)果相符。局部擠壓銷激活時間不同時的產(chǎn)品剖切圖如圖9所示，可以看到，實際缺陷與模擬缺陷位置和大小基本相符。

圖7 不同激活時間下的缺陷場模擬結(jié)果

圖8 不同擠壓銷激活時間的X-Ray探傷圖

圖9 不同局部擠壓銷激活時間的產(chǎn)品剖切圖

4 結(jié)論

1）各工藝參數(shù)按對鑄件凝固后質(zhì)量的影響程度從大到小的順序依次為擠壓比壓＞澆注溫度＞模具溫度。采用正交試驗法利用ProCAST軟件對目標(biāo)鑄件進(jìn)行了模擬鑄造，在無其他優(yōu)化措施的情況下得到了最佳工藝參數(shù)組合，即澆注溫度730 ℃、模具溫度300 ℃、擠壓比壓150 MPa。

2）對鑄件厚壁部位采取局部加壓的措施可以有效減小鑄件的縮孔縮松缺陷。當(dāng)擠壓銷激活時間為4 s時，可以完全消除縮孔縮松缺陷。此產(chǎn)品采用局部加壓的最佳激活時間為4～6 s。

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Optimization of Squeeze Casting Process Parameters for ADC12 Aluminum Alloy Automobile Support with Complex Structure

PIAO Jun-jie1a, JIANG Bo1a,1b*, HU Mao-liang1a, WANG Ye1a, JI Ze-sheng1a,2, SUGIYAMA Sumio3,XU Hong-yu1a, WANG Yun-long2, ZHANG Yong-bing2

(1. a. School of Materials Science and Chemical Engineering, b. Key Laboratory of Advanced Manufacturing Intelligent Technology of Ministry of Education, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China; 2. Harbin Jixing Mechanical Engineering Co., Ltd., Harbin 150060, China;3. Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Tokyo 153-8505, Japan)

The work aims to solve the defects of ADC12 aluminum alloy automobile engine supports in squeeze casting. ProCAST software was used to simulate the filling and solidification process of the automobile engine supports during squeeze casting. Orthogonal experiments were designed to obtain the optimal process parameters. Local pressurization optimization measure was taken for the thick-walled area at the far end of the casting pouring process, and X-ray inspection was performed on the thick-walled area to observe the defects of the casting. The results showed that after conducting orthogonal experimental range analysis on the process parameters of squeeze casting, it was found that the degree of influence of each process parameter on the quality of the casting after solidification was in descending order: squeeze pressure, pouring temperature, and mold temperature. The optimized results obtained through orthogonal experiment were pouring temperature of 730 ℃, mold temperature of 300 ℃, and squeeze pressure of 150 MPa. The optimal activation time for squeezing the pin under local pressurization was 4 s, which could completely eliminate the shrinkage and porosity defects inside the casting. The automobile engine support produced according to the optimized process parameters had a complete appearance without surface cracks and other defects. There were no obvious defects under X-Ray inspection, and the internal quality was good. In conclusion, choosing a reasonable pouring temperature, mold temperature, and squeeze pressure can effectively reduce internal shrinkage defects in castings. By using local pressurization and controlling the activation time of the squeeze pin reasonably, shrinkage defects can be completely eliminated.

ADC12 aluminum alloy; squeeze casting; numerical simulation; local pressurization; casting defect

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.015

TG245

A

1674-6457(2023)011-0132-08

2023-05-16

2023-05-16

國家重點研發(fā)計劃（2019YFB2006503）；黑龍江省科技重大專項（2021ZX05A02）

National Key R&D Program of China (2019YFB2006503); Major Science and Technology Project of Heilongjiang Province（2021ZX05A02）

樸俊杰, 姜博, 胡茂良, 等. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)ADC12鋁合金汽車支架擠壓鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 132-139.

PIAO Jun-jie, JIANG Bo, HU Mao-liang, et al. Optimization of Squeeze Casting Process Parameters for ADC12 Aluminum Alloy Automobile Support with Complex Structure[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 132-139.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨