AlSi9Mg變速箱下殼低壓鑄造工藝模擬及優(yōu)化

吳復(fù)濤 王娟 李鑫 譚建波

摘 要：為解決低壓鑄造過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、縮松等問(wèn)題，研究了鑄造工藝參數(shù)對(duì)低壓鑄造AlSi9Mg變速箱下殼充型及凝固過(guò)程的影響。依據(jù)Pro/Engineer軟件繪制2種不同澆注系統(tǒng)的變速箱下殼三維實(shí)體模型，利用ProCAST軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，探討澆注溫度、鑄型溫度及充型壓力等對(duì)AlSi9Mg變速箱下殼低壓鑄造時(shí)金屬液充型及凝固過(guò)程的影響，以標(biāo)準(zhǔn)化正交表對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效分析。結(jié)果表明，較合理的工藝參數(shù)為澆注溫度700 ℃、鑄型溫度350 ℃、充型壓力45 kPa，在此工藝參數(shù)下鋁合金變速箱下殼鑄件縮孔、縮松缺陷體積由原來(lái)的1.537 cm3降為1.425 cm3。對(duì)AlSi9Mg變速箱下殼低壓鑄造工藝進(jìn)行模擬研究，可為變速箱下殼低壓鑄造工藝的優(yōu)化提供參考依據(jù)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鑄造工藝與設(shè)備;低壓鑄造;ProCAST;數(shù)值模擬;變速箱下殼;工藝優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TG249.2;TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx03013

Simulation and optimization of low pressure casting process for AlSi9Mg gearbox shell

WU Futao1，2， WANG Juan3， LI Xin3， TAN Jianbo1，2

（1.School of Material Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;

2.Hebei Key Laboratory of Material Near-net Forming Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;

3.Tangshan Caofeidian Jidong Equipment Mechanical Foundry Company Limited，Tangshan，Hebei 063200，China）

Abstract：In order to solve the problems of porosity，slag inclusion，shrinkage porosity，etc.，the influence of low pressure casting process parameters on filling and solidification of the AlSi9Mg gearbox shell was studied.Two different gating systems of the three-dimensional solid model were drawn with Pro/Engineer software，and the influence of pouring temperature，mold temperature and filling pressure on the alloy filling and solidification process during low pressure casting of the AlSi9Mg gearbox shell were studied through the method of numerical simulation using ProCAST software.Based on the experimental results，effective analysis was conducted with orthogonal test table.The result shows that the reasonable process parameters are as follows：Pouring temperature 700 ℃，mold temperature 350 ℃ and filling pressure 45 kPa，and under these process parameters，the defect volume of shrinkage pore of the casting is reduced from 1.537 cm3 to 1.425 cm3.The research on simulation and optimization of low-pressure casting process of AlSi9Mg gearbox lower shell can provide reference for optimization of low-pressure casting process of gearbox lower shell，and has practical application value.

Keywords：

casting process and equipment;low pressure casting;ProCAST;numerical simulation;gearbox shell;process optimization

汽車(chē)工業(yè)正向輕合金鑄件方向加速發(fā)展，這也是減輕汽車(chē)質(zhì)量效果最好的辦法[1-5]。AlSi9Mg合金具有強(qiáng)度高、密度低、熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于汽車(chē)、航空、航天、機(jī)械、熱能工程等領(lǐng)域[6-11]。變速箱是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要保護(hù)裝置，承擔(dān)內(nèi)部零件安裝、潤(rùn)滑及散熱等多項(xiàng)功能，屬于形狀復(fù)雜的薄壁大尺寸鑄件[12-15]。人們?cè)谧兯傧錃んw模擬及工藝方面進(jìn)行了一些探索，尤其是在利用數(shù)值模擬分析不同工藝參數(shù)對(duì)鑄件缺陷的影響方面[16-20]。AlSi9Mg變速箱下殼為箱體類(lèi)鑄件，質(zhì)量要求高，但在低壓鑄造過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、縮松等缺陷。為此，筆者采用ProCAST模擬軟件，研究了內(nèi)澆口數(shù)量、澆注溫度、充型壓力、鑄型預(yù)熱溫度等對(duì)充型及凝固過(guò)程的影響。

1 鑄件材料的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)模型

1.1 化學(xué)成分

AlSi9Mg合金具有良好的鑄造性能，鑄件具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，鑄造收縮率小，還有較好的機(jī)械加工性能，可鑄造形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，同時(shí)鑄件還能承受較大載荷，其化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

1.2 結(jié)構(gòu)模型

研究過(guò)程中采用Pro/Engineer軟件進(jìn)行三維建模，變速箱下殼鑄件形狀復(fù)雜，外形尺寸為400 mm×220 mm×190 mm，鑄件平均壁厚8 mm。鑄件外形三維實(shí)體尺寸如圖1所示。

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用合理的澆注系統(tǒng)可使充型平穩(wěn)，減少飛濺、沖擊和渦流的產(chǎn)生，保證鑄件質(zhì)量，簡(jiǎn)化模具。澆注系統(tǒng)設(shè)為底注式，有利于流動(dòng)穩(wěn)定，防止氧化夾雜;此外，將內(nèi)澆道設(shè)計(jì)在熱節(jié)較大的鑄件側(cè)壁、側(cè)壁肋與底座連接區(qū)域，可充分發(fā)揮內(nèi)澆道對(duì)鑄件的補(bǔ)縮作用。澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道橫截面積設(shè)計(jì)可參考公式：

Ag=Wρvt。（1）

式中：Ag為內(nèi)澆道截面積，cm2;v為內(nèi)澆道出口線速度，v≤15 /s時(shí)金屬液可平穩(wěn)充型;ρ為合金質(zhì)量密度，g/cm3;W為鑄件質(zhì)量，g;t為充型時(shí)間，s，t=hv升（h為型腔高度，cm;v升 =1～6 cm/s）。

經(jīng)計(jì)算，內(nèi)澆道橫截面積為29 cm2，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)2種不同的澆注系統(tǒng)，其中4個(gè)內(nèi)澆道設(shè)計(jì)方案中每個(gè)內(nèi)澆道的橫截面積為7.25 cm2，6個(gè)內(nèi)澆道設(shè)計(jì)方案中每個(gè)內(nèi)澆道橫截面積為5 cm2。2種澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道的具體位置分布分別如圖2—圖5所示。

3 數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

澆注系統(tǒng)繪制完成后，將澆注系統(tǒng)與底座組合砂芯、出油孔砂芯與鑄件進(jìn)行裝配，如圖6所示。利用ProCAST軟件劃分出合適的網(wǎng)格步長(zhǎng)，獲取真實(shí)有效的仿真結(jié)果。劃分網(wǎng)格時(shí)需選擇合適的工具對(duì)幾何體進(jìn)行修改，在Mesh頁(yè)面可以自動(dòng)檢測(cè)導(dǎo)入圖形的形狀以及檢測(cè)模型可能存在的幾何缺陷，并對(duì)該缺陷進(jìn)行全面修復(fù)。模具網(wǎng)格步長(zhǎng)和芯子網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為8 mm，鑄件網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為4 mm，獲得面網(wǎng)格161 052個(gè)，體網(wǎng)格2 929 238個(gè)。在前處理時(shí)，設(shè)置鑄件材料為AlSi9Mg，砂芯材料為硅砂，模具材料為H13。低壓鑄造鑄件為鋁合金，其金屬鑄型溫度參考范圍為250～320 ℃，若設(shè)計(jì)為較復(fù)雜的薄壁鑄件，可在參考范圍上適當(dāng)提高，模擬時(shí)鑄型溫度最高取350 ℃。金屬和金屬之間的換熱系數(shù)為2 000 W/（m2·K），金屬和砂型之間的換熱系數(shù)為500 W/（m2·K）。依次設(shè)置重力加速度、邊界條件、澆注溫度、壓力曲線、充型壓力、充型速度及冷卻條件等參數(shù)，所有參數(shù)設(shè)置完成后即可進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 金屬液充型和凝固過(guò)程的模擬和分析

在前處理過(guò)程，設(shè)計(jì)合理的工藝參數(shù)可以保障鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量[22-23]。在其他工藝參數(shù)相同的情況下，設(shè)置澆注溫度為700 ℃，鑄型預(yù)熱溫度為320 ℃，充型壓力為45 kPa。設(shè)定完成后，使用ProCast軟件分別對(duì)2種不同澆注系統(tǒng)進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，研究變速箱下殼低壓鑄造金屬液充型過(guò)程和凝固溫度場(chǎng)的變化情況。4個(gè)內(nèi)澆道充型過(guò)程如圖7所示。金屬液在填充澆注系統(tǒng)時(shí)充型平穩(wěn)，有利于氣體排出型腔。當(dāng)進(jìn)入鑄型型腔時(shí)，金屬液在充型壓力推動(dòng)下直接從4個(gè)內(nèi)澆道同時(shí)向鑄件底部及側(cè)壁周?chē)畛?，如圖7b）所示，金屬液前沿液面起伏較大，充型不平穩(wěn)，不同方向金屬液在鑄型中互相沖擊，造成卷氣和氧化物夾雜。充型后期4 個(gè)內(nèi)澆道橫截面積較大，充型阻力小，利于金屬液充型，且金屬液面起伏減小，充型逐漸平穩(wěn)，有利于鑄件后期的凝固和補(bǔ)縮，從而減少了鑄造缺陷。

6個(gè)內(nèi)澆道充型過(guò)程如圖8所示，其充型過(guò)程與4個(gè)內(nèi)澆道充型過(guò)程相似。但充型初期，在總充型壓力相同的情況下，6個(gè)內(nèi)澆道設(shè)計(jì)方案平均每個(gè)內(nèi)澆道的分壓力相對(duì)4個(gè)內(nèi)澆道要小，且6個(gè)內(nèi)澆道橫截面積較小，充型阻力較大，使充型比4個(gè)內(nèi)澆道要平穩(wěn)些。當(dāng)金屬液充型80%以后，對(duì)比圖7c）和圖8c）可知，6個(gè)內(nèi)澆道的充型平穩(wěn)性降低，并以這種不平穩(wěn)狀態(tài)充滿(mǎn)鑄型型腔。

4個(gè)內(nèi)澆道凝固過(guò)程溫度場(chǎng)如圖9所示。觀察金屬液填充滿(mǎn)鑄型型腔后的凝固過(guò)程發(fā)現(xiàn)，在鑄件頂部、側(cè)壁肋、側(cè)壁中心區(qū)域，由于壁厚較薄，溫度降低較快，而鑄件底部和頂部部分的鑄件壁厚較厚，溫度降低較慢，不利于實(shí)現(xiàn)順序凝固，因此在壁厚較薄的側(cè)壁區(qū)域容易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。

6個(gè)內(nèi)澆道凝固過(guò)程溫度場(chǎng)如圖10所示，其凝固過(guò)程也與4個(gè)內(nèi)澆道相同。但6個(gè)內(nèi)澆道的澆口半徑比4個(gè)內(nèi)澆道小，在相同充型壓力作用下，鑄件凝固時(shí)澆注系統(tǒng)所起的補(bǔ)縮作用要小。對(duì)比圖9 c）和圖10 c）可知，6個(gè)內(nèi)澆道的順序凝固傾向較4個(gè)內(nèi)澆道差，所以6個(gè)內(nèi)澆道鑄件的縮孔縮松缺陷體積較大。

把2種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的縮孔體積進(jìn)行比較可知缺陷體積的大小，進(jìn)而判斷2種澆注方案的鑄件質(zhì)量。4個(gè)內(nèi)澆道縮孔縮松體積見(jiàn)圖11，6個(gè)內(nèi)澆道的縮孔縮松體積見(jiàn)圖12。由圖11和圖12可知，4個(gè)內(nèi)澆道的縮孔縮松體積為1.603 cm3，6個(gè)內(nèi)澆道的縮孔縮松體積為1.872 cm3。

綜上可知：2種設(shè)計(jì)方案均能充滿(mǎn)鑄型，6個(gè)內(nèi)澆道設(shè)計(jì)方案在充型初期較4個(gè)內(nèi)澆道要平穩(wěn)，但充型后期的平穩(wěn)性則較差;6個(gè)內(nèi)澆道橫截面積較小，金屬液充型時(shí)受到的阻力較大，因此阻礙澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件的補(bǔ)縮程度更大，鑄件縮孔縮松體積較大;相反，4個(gè)內(nèi)澆道的截面積較大，且后期充型平穩(wěn)，對(duì)鑄件補(bǔ)縮效果更好，有利于減少鑄件缺陷。對(duì)比可知，4個(gè)內(nèi)澆道的設(shè)計(jì)方案更好，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，選取最佳澆注工藝參數(shù)。

3.2 正交試驗(yàn)分析

正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表2， 9組水平試驗(yàn)的縮孔縮松體積見(jiàn)表3。

3.2.1 極差分析

根據(jù)各影響因素在不同水平平均值的最大值和最小值之差，檢驗(yàn)各影響因素與水平對(duì)應(yīng)的影響關(guān)系，確定各因素的優(yōu)化水平組合。極差越大，表示該因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的數(shù)值變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)值的變化影響越大。由表3可以計(jì)算各影響因素的K（因素水平指標(biāo)之和）、K-（三因素K的平均值）和極差R值，依據(jù)R值大小得出各影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響主次順序，極差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

由R值大小可知：鑄型溫度>充型壓力>澆注溫度，所以各影響因素對(duì)鑄件質(zhì)量的主次影響順序?yàn)殍T型溫度>充型壓力>澆注溫度。對(duì)比各組試驗(yàn)可知，缺陷最少的組合為編號(hào)第9組的試驗(yàn)。

3.2.2 方差分析

為確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行方差分析，正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果方差和顯著性分析見(jiàn)表5。

由表5各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的差異性可知：不同澆注溫度和充型壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著（P>0.05呈不顯著性，澆注溫度P值為0.940，充型壓力P值為0.783）;鑄型溫度對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響（P<0.05呈顯著性，鑄型溫度P值為0.002）;偏Eta方值的大小順序?yàn)殍T型溫度>充型壓力>澆注溫度，與極差分析相同。因此各因素對(duì)鑄件影響的主次順序?yàn)殍T型溫度>充型壓力>澆注溫度。

綜上得到最優(yōu)工藝參數(shù)如下：澆注溫度為700 ℃，鑄型溫度為350 ℃，充型壓力為45 kPa。對(duì)此工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，得到縮孔縮松缺陷體積為1.425 cm3，與正交試驗(yàn)第9組相比，兩者鑄型溫度和充型壓力相同，而澆注溫度不同，符合顯著性分析結(jié)果中澆注溫度對(duì)鑄件影響的不顯著性。此外，最優(yōu)工藝參數(shù)的縮孔縮松缺陷體積為1.425 cm3，小于第9組試驗(yàn)的缺陷體積（1.537 cm3）。所以最優(yōu)工藝參數(shù)為澆注溫度700 ℃，鑄型溫度350 ℃，充型壓力45 kPa。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）利用ProCAST軟件，分別對(duì)4個(gè)和6個(gè)內(nèi)澆道的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)其充型、凝固過(guò)程和縮孔縮松缺陷體積的大小進(jìn)行比較，得出4個(gè)內(nèi)澆道的設(shè)計(jì)方案比較好。

2）4個(gè)內(nèi)澆道設(shè)計(jì)方案中，影響試驗(yàn)的主次因素順序?yàn)殍T型溫度>充型壓力>澆注溫度，鑄型溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響。

3）澆注溫度為700 ℃、鑄型溫度為350 ℃、充型壓力為45 kPa時(shí)，變速箱下殼鑄件縮孔縮松缺陷體積最小，為1.425 cm3。

4） 本研究針對(duì)內(nèi)澆道截面積對(duì)變速箱下殼低壓鑄造充型過(guò)程及縮孔縮松的影響進(jìn)行了相關(guān)探討，但研究得還不夠細(xì)致，物性參數(shù)的選用也不夠精確，對(duì)模擬結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，未來(lái)將在此方面進(jìn)行更為深入的研究。

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