基于正交試驗(yàn)的副車(chē)架低壓鑄造凝固質(zhì)量提升

童 洲，江麗珍，韓 偉，段海峰

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

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)新能源汽車(chē)生產(chǎn)廠家為了適應(yīng)車(chē)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(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一體化的副車(chē)架設(shè)計(jì)，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(shí)副車(chē)架一體化的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)使低壓鑄造的零件結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，并常常因?yàn)殍T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(guò)程產(chǎn)生卷氣、縮松和縮孔等缺陷的趨勢(shì)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(chē)架關(guān)鍵部位的力學(xué)性能。因此需要運(yùn)用CAE 軟件對(duì)鑄件重點(diǎn)位置的凝固結(jié)晶進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)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(dòng)汽車(chē)廠家創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一體化副車(chē)架零件和砂芯3D 圖，與傳統(tǒng)的燃油車(chē)副車(chē)架四邊框架形狀相比，新設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)副車(chē)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(chē)架鑄件內(nèi)部結(jié)晶組織成型質(zhì)量，達(dá)到工作過(guò)程高強(qiáng)度負(fù)載時(shí)安全可靠的要求，實(shí)踐中需要運(yùn)用CAE 軟件對(duì)低壓鑄造工藝過(guò)程進(jìn)行綜合性的數(shù)值模擬，并采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)副車(chē)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(jìn)行正交數(shù)據(jù)試驗(yàn)[2]。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)以組合的參數(shù)計(jì)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(xì)化控制和綜合冷卻控制等方法進(jìn)行智能化控制，提高副車(chē)架低壓鑄造質(zhì)量，具體從以下幾方面進(jìn)行研究。

圖1 副車(chē)架零件和砂芯3D 圖

副車(chē)架低壓鑄造過(guò)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(dú)改進(jìn)其中一種工藝參數(shù)難以達(dá)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(yùn)用組合缺陷和概率缺陷預(yù)測(cè)方法進(jìn)行模擬仿真，為運(yùn)用正交試驗(yàn)提供各種工藝試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，幫助技術(shù)人員進(jìn)行分析優(yōu)化，從而選擇最佳參數(shù)組合，便可通過(guò)數(shù)字化控制的低壓鑄造設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)工藝參數(shù)控制。

1.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

副車(chē)架在汽車(chē)行駛過(guò)程中承受長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)負(fù)載工作，因此對(duì)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(jìn)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(chē)架材料為A356 高強(qiáng)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(jìn)入澆注系統(tǒng)后再進(jìn)入模腔，在底部的外加壓力作用下，以自上而下的順序進(jìn)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(chē)架零件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多個(gè)方向發(fā)散延伸，內(nèi)部的樹(shù)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(chē)架鑄件周?chē)鱾€(gè)位置設(shè)計(jì)分散的冒口，既有利于充型凝固過(guò)程的排氣，也希望能從多個(gè)方向和位置進(jìn)行補(bǔ)縮。

圖2 副車(chē)架低壓鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2 正交試驗(yàn)?zāi)M優(yōu)化流程

汽車(chē)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(jìn)行概率預(yù)測(cè)，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(chē)架低壓鑄造工藝的優(yōu)化流程，依據(jù)正交試驗(yàn)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(duì)副車(chē)架零件結(jié)構(gòu)拱橋重點(diǎn)部位的致密度要求和砂芯形狀等因素，以追求零件能實(shí)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(jī)數(shù)字化低壓鑄造設(shè)備對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)的精密控制功能，對(duì)低壓鑄造過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制。此外，還可以記錄評(píng)估每次改進(jìn)優(yōu)化的凝固質(zhì)量情況，形成低壓鑄造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 副車(chē)架凝固質(zhì)量改進(jìn)流程圖

2 缺陷模擬及正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)?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(lái)進(jìn)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(yàn)基于CAE軟件仿真分析的缺陷預(yù)測(cè)結(jié)果，以副車(chē)架低壓鑄造工藝的數(shù)值模擬過(guò)程進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用極差分析的方法尋找副車(chē)架低壓鑄造工藝參數(shù)的最優(yōu)方案。

2.1 缺陷模擬

副車(chē)架低壓鑄造生產(chǎn)的重點(diǎn)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(shí)踐中結(jié)合低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)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(duì)副車(chē)架低壓鑄造充型過(guò)程按初始條件進(jìn)行了數(shù)值模擬和缺陷預(yù)測(cè)，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(chē)架低壓鑄造數(shù)值模擬初始參數(shù)表

（1）首先進(jìn)行充型過(guò)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(guò)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(guò)程是根據(jù)多個(gè)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(guò)預(yù)測(cè)可以看出，預(yù)設(shè)理想的凝固順序并沒(méi)有實(shí)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(méi)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(shì)。

圖4 副車(chē)架低壓鑄造熱傳導(dǎo)過(guò)程模擬

（2）其次進(jìn)行充型速度和凝固順序模擬。如圖5a、b 所示，從副車(chē)架充型模擬凝固的結(jié)果可以看出，補(bǔ)縮距離最長(zhǎng)的位置為頂部的曲面拱橋位置，一方面來(lái)自升液管自下而上的低壓鑄造機(jī)壓力對(duì)頂部拱橋位置的補(bǔ)縮距離較長(zhǎng)，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(bǔ)縮作用也是最后到達(dá)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(chē)架充型速度和凝固順序模擬

（3）最后再進(jìn)行缺陷位置預(yù)測(cè)模擬。如圖6a所示，AnyCasting 軟件的低壓鑄造模塊求解過(guò)程中通過(guò)溫度梯度、冷卻率和鑄件局部凝固時(shí)間等因素進(jìn)行概率運(yùn)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(chē)架凝固時(shí)間較短的曲面將凝固時(shí)間較長(zhǎng)拱橋的區(qū)域包圍，造成了來(lái)自底部和周邊區(qū)域的補(bǔ)縮通道被截?cái)?，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(chē)架低壓鑄造生產(chǎn)的重點(diǎn)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(chē)架拱橋凸起位置的縮松缺陷模擬

2.2 正交模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

通過(guò)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(shí)間這四個(gè)因素作為試驗(yàn)因素，在合理的取值范圍內(nèi)，按四個(gè)工藝因素三水平（如表2 所示）建立正交試驗(yàn)，共生成9 個(gè)參數(shù)組合方案，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化模擬得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。仿真分析過(guò)程通過(guò)鑄件的體積收縮率和孔隙率總體積均值大小的評(píng)價(jià)方法來(lái)對(duì)凝固質(zhì)量進(jìn)行直接判斷，凝固后的孔隙總體積的數(shù)值越大，則說(shuō)明縮松和縮孔缺陷的產(chǎn)生趨勢(shì)越大。因此通過(guò)每組工藝數(shù)據(jù)產(chǎn)生的孔隙總體積預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷鑄件拱橋形狀位置的缺陷趨勢(shì)大小。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表3 正交試驗(yàn)方案結(jié)果

其中鋁液溫度是指在低壓鑄造機(jī)爐內(nèi)的溫度，保壓壓力是指增壓后的保持壓力補(bǔ)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(shí)間是指鋁液進(jìn)入升液管開(kāi)始充型，到凝固完成模具打開(kāi)的時(shí)間，冷卻凝固時(shí)間越長(zhǎng)則保壓時(shí)間也相應(yīng)增長(zhǎng)[7]。

從表3 中極差R 的大小可以分析出在本試驗(yàn)所選定的條件范圍內(nèi)，各工藝參數(shù)對(duì)副車(chē)架拱橋形狀位置縮松缺陷的影響從強(qiáng)到弱排列順序?yàn)椋罕簤毫Γ纠鋮s時(shí)間＞模具預(yù)熱溫度＞鋁液溫度。

3 基于正交試驗(yàn)分析結(jié)果的優(yōu)化方案

根據(jù)正交試驗(yàn)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(dòng)汽車(chē)副車(chē)架的低壓鑄造生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)保壓壓力和冷卻時(shí)間進(jìn)行重點(diǎn)控制。在低壓鑄造機(jī)設(shè)備的工藝參數(shù)設(shè)置階段，通過(guò)對(duì)保壓壓力的精細(xì)化分段和冷卻通道的自動(dòng)化開(kāi)閉控制，實(shí)現(xiàn)副車(chē)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(yàn)結(jié)果的壓力控制

從圖5 的充型速度和時(shí)間模擬過(guò)程得知，鋁液完全充型進(jìn)入到副車(chē)架模腔每個(gè)角落，再到包括澆注系統(tǒng)在內(nèi)的凝固完成的這段時(shí)間內(nèi)，正是副車(chē)架重點(diǎn)位置完成補(bǔ)縮凝固的重要環(huán)節(jié)。此時(shí)升液箱內(nèi)部需要保持一定的壓力并且分段進(jìn)行壓力補(bǔ)償，才能對(duì)副車(chē)架最后凝固的位置進(jìn)行補(bǔ)縮。如圖7a、b 所示，運(yùn)用HDTD-800 低壓鑄造機(jī)的數(shù)字化智能壓力控制功能，在低壓鑄造機(jī)的操控界面按F14 鍵進(jìn)入壓力設(shè)定畫(huà)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(xì)化為8 個(gè)段次，延長(zhǎng)保壓時(shí)間，根據(jù)凝固過(guò)程的需要進(jìn)行數(shù)字化分段卸壓控制，對(duì)零件頂部拱橋重點(diǎn)位置進(jìn)行結(jié)晶增壓補(bǔ)縮，并生成相應(yīng)的壓力- 時(shí)間曲線數(shù)據(jù)變化圖表。

圖7 低壓鑄造機(jī)壓力分段設(shè)置及壓力- 時(shí)間變化曲線圖

3.2 基于正交試驗(yàn)結(jié)果的冷卻控制

HDTD-800 低壓鑄造機(jī)的冷卻系統(tǒng)采用了多通道差異化方式進(jìn)行冷卻時(shí)間自動(dòng)控制，通過(guò)差異化控制模具局部的溫度變化延長(zhǎng)和細(xì)化鑄件冷卻時(shí)間，特別適合副車(chē)架這類冷卻通道設(shè)計(jì)較復(fù)雜的鑄件。在模具安裝冷卻通道的各個(gè)位置安裝快速熱偶，檢測(cè)模具溫度，當(dāng)模具溫度高于設(shè)定溫度的時(shí)候打開(kāi)冷卻通道的電磁閥，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度的時(shí)候關(guān)閉電磁閥，實(shí)現(xiàn)真正意義上的模具溫度- 冷卻時(shí)間時(shí)序控制。如圖8a、b 所示為HDTD-800 低壓鑄造機(jī)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(jī)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(jì)，便于現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)，提高凝固質(zhì)量控制精細(xì)化水平[9]。每個(gè)通道都可以通過(guò)開(kāi)關(guān)調(diào)整各電磁閥的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)時(shí)間控制、自動(dòng)溫度控制以及自動(dòng)綜合控制功能。針對(duì)副車(chē)架拱橋位置冷卻速度慢于其他區(qū)域及補(bǔ)縮冒口的情況，將拱橋位置對(duì)應(yīng)的冷卻通道開(kāi)閉時(shí)間適當(dāng)提前并加大流量，同時(shí)延緩其他區(qū)域及補(bǔ)縮冒口位置冷卻通道的開(kāi)啟時(shí)間并減少流量，則可加快副車(chē)架拱橋位置的相對(duì)冷卻速度，實(shí)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(guò)AnyCasting 軟件對(duì)副車(chē)架低壓鑄造缺陷預(yù)測(cè)模擬和正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，以及對(duì)通過(guò)調(diào)整低壓鑄造機(jī)壓力分段和冷卻控制，得出以下結(jié)論：

（1）從副車(chē)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(bǔ)縮距離最長(zhǎng)，加之補(bǔ)縮通道容易被截?cái)嗍构皹騾^(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(guò)對(duì)副車(chē)架低壓鑄造工藝的數(shù)值模擬過(guò)程進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究不同工藝參數(shù)對(duì)鑄件凝固質(zhì)量的影響，按四因素三水平正交試驗(yàn)的流程進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)最終數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[10]。結(jié)果表明，各工藝參數(shù)對(duì)副車(chē)架拱橋形狀位置縮松缺陷的影響從強(qiáng)到弱排列順序?yàn)椋罕簤毫Γ纠鋮s時(shí)間＞模具預(yù)熱溫度＞鋁液溫度。

（3）根據(jù)正交試驗(yàn)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(guò)在電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架低壓鑄造生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)保壓壓力的精細(xì)化分段和冷卻通道的自動(dòng)化開(kāi)閉控制，能夠?qū)崿F(xiàn)副車(chē)架低壓鑄造的數(shù)字化凝固質(zhì)量控制。

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中還需要通過(guò)對(duì)CAE 智能模擬分析和生產(chǎn)實(shí)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(chē)架鑄件的不同型號(hào)種類的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足新能源電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架的大批量生產(chǎn)需要。