鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化及性能評價

摘 要：本文研究了鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化及其對零件性能的影響。通過正交試驗設計，研究了擠壓速度、模具溫度、液態(tài)金屬溫度等工藝參數(shù)對零件力學性能、內(nèi)部缺陷、表面質(zhì)量的影響規(guī)律。研究表明，適當提高擠壓速度和液態(tài)金屬溫度，并降低模具溫度，可以在保證零件力學性能的同時獲得良好的表面質(zhì)量，并最小化內(nèi)部缺陷。本研究可為鋁合金汽車零部件的擠壓鑄造工藝優(yōu)化提供理論指導和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：鋁合金 汽車零部件 擠壓鑄造 工藝參數(shù) 性能評價

0 引言

隨著汽車輕量化和節(jié)能減排需求的不斷提高，鋁合金在汽車零部件制造中的應用日益廣泛。擠壓鑄造是一種近凈成形工藝，可用于生產(chǎn)形狀復雜的鋁合金汽車零部件。為實現(xiàn)零件的高性能和穩(wěn)定質(zhì)量，亟需開展擠壓鑄造工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。本文基于正交試驗，系統(tǒng)研究了擠壓鑄造的關(guān)鍵工藝參數(shù)對鋁合金汽車零部件力學性能、內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為工藝優(yōu)化提供指導。

1 鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝

1.1 擠壓鑄造工藝原理

擠壓鑄造是一種先進的金屬成形技術(shù)，通過將液態(tài)金屬在高壓下充填到模具型腔中，實現(xiàn)近凈成形（如圖1）。具體過程為：將鋁合金熔化并保溫到一定溫度，澆注到壓射室內(nèi)，隨后在液壓缸的作用下，活塞將液態(tài)金屬快速推入型腔。在高壓下，液態(tài)金屬充滿型腔并在型腔內(nèi)快速冷卻凝固成型。擠壓鑄造可獲得尺寸精度高、表面質(zhì)量好、內(nèi)部致密性高的復雜薄壁零件[1]。與重力鑄造和低壓鑄造相比，擠壓鑄造具有充型能力強、生產(chǎn)效率高、可實現(xiàn)厚壁與薄壁過渡等優(yōu)點。擠壓鑄造零件常用于汽車、航空航天、電子電器等領(lǐng)域。

1.2 影響擠壓鑄造零件性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)

擠壓鑄造零件的力學性能、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷對工藝參數(shù)高度敏感。擠壓速度是最重要的工藝參數(shù)之一，它決定了液態(tài)金屬的充填速率和壓力。擠壓速度過低，會導致液態(tài)金屬充填不完全，產(chǎn)生夾雜和縮孔缺陷；擠壓速度過高，則會引起液態(tài)金屬劇烈湍流，產(chǎn)生氣孔缺陷，并導致型腔提前磨損。模具溫度也是關(guān)鍵參數(shù)，它影響液態(tài)金屬在型腔內(nèi)的凝固速率和冷卻均勻性[2]。模具溫度過低，會導致鑄件表面拋光性差，易產(chǎn)生裂紋；模具溫度過高，會降低鑄件冷卻速率，晶粒粗大，力學性能下降。液態(tài)金屬溫度、壓射壓力、保壓時間等參數(shù)也對鑄件性能有重要影響。

2 正交試驗研究擠壓鑄造工藝參數(shù)對鋁合金零件性能的影響

2.1 試驗材料與方法

本研究選用汽車控制臂常用的鋁合金AC4D（AlSi9Mg）作為試驗材料，試驗在280噸冷室壓鑄機上進行，采用直徑為60mm的液壓缸。模具采用H13熱作模具鋼制造，型腔面積為150cm2，厚度為3mm。正交試驗選取擠壓速度、模具溫度和液態(tài)金屬溫度三個因素，每個因素選取三個水平。為評價擠壓鑄造工藝參數(shù)對零件性能的影響，選取抗拉強度、延伸率、表面粗糙度和內(nèi)部缺陷面積分數(shù)作為評價指標。抗拉強度和延伸率測試按照GB/T 228進行，采用萬能材料試驗機，標距為50 mm；表面粗糙度使用TR200粗糙度儀測量，每個試樣測量5個位置，取平均值；內(nèi)部缺陷采用X射線無損檢測方法表征，使用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計缺陷面積分數(shù)。正交試驗安排采用L9（34）正交表，每個試驗條件下鑄造3個樣件，測試結(jié)果取平均值。

2.2 擠壓速度對零件力學性能和缺陷的影響

隨著擠壓速度從0.2 m/s增大到1.0 m/s，鑄件抗拉強度先增大后減小，在0.6 m/s時達到最大值286 MPa；延伸率隨擠壓速度提高而單調(diào)下降。低速導致充填不完全產(chǎn)生缺陷，適度提高可改善力學性能，過高速度引起湍流卷氣產(chǎn)生縮孔氣孔缺陷。X射線檢測表明，隨速度提高，缺陷尺寸和數(shù)量增加。因此，擠壓速度應控制在合理范圍內(nèi)，既保證快速充填，又避免缺陷產(chǎn)生。

2.3 模具溫度對零件表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷的影響

隨著模具溫度從175℃升高到275℃，鑄件表面粗糙度Ra先降低后升高，在225℃達到最小值0.42μm，表面質(zhì)量最佳；內(nèi)部缺陷面積分數(shù)呈現(xiàn)先降低后升高趨勢，在225℃最低為0.68%。低溫導致表面快速凝固，鋪展性差，表面粗糙；高溫使表面局部過熱，也導致粗化。低溫易形成縮孔，高溫延緩凝固引起粗大縮孔，合適溫度可兼顧表面和內(nèi)部質(zhì)量[3]。應根據(jù)型腔結(jié)構(gòu)和壁厚優(yōu)選最佳模具溫度。

2.4 液態(tài)金屬溫度對零件力學性能和表面質(zhì)量的影響

由不同液態(tài)金屬溫度下AC4D鋁合金零件的抗拉強度、延伸率和表面粗糙度可得，隨著液態(tài)金屬溫度從660 ℃升高到740 ℃，鑄件抗拉強度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，在700 ℃時達到最大值293 MPa；而延伸率則隨溫度的升高而單調(diào)提高，從660 ℃時的4.9%升高到740 ℃時的9.4%，提高了91.8%。產(chǎn)生這種趨勢的原因是，低液態(tài)金屬溫度導致液態(tài)金屬黏度大，流動性差，型腔充填不完全，易產(chǎn)生縮松、未焊合等缺陷，力學性能較低；提高液態(tài)金屬溫度，可降低液態(tài)金屬黏度，改善型腔充填，獲得致密的鑄件組織，力學性能提高；但溫度過高會加劇合金元素的燒損，引起晶粒粗化，導致力學性能下降。同時，液態(tài)金屬溫度對鑄件表面質(zhì)量也有顯著影響。隨著液態(tài)金屬溫度的升高，鑄件表面粗糙度逐漸降低，在720℃時達到最低值Ra=0.39 μm。這主要是由于較高的液態(tài)金屬溫度可降低液態(tài)金屬表面張力，促進其在型腔表面的鋪展，改善表面復制性能，獲得光滑的表面[4]。綜上所述，液態(tài)金屬溫度是影響擠壓鑄造鋁合金零件力學性能和表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素，應根據(jù)合金成分和零件結(jié)構(gòu)，優(yōu)選出力學性能和表面質(zhì)量兼顧的最佳液態(tài)金屬溫度。

3 鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 多目標優(yōu)化問題的提出

鋁合金汽車零部件擠壓鑄造過程是一個多目標優(yōu)化問題。零件的力學性能（抗拉強度和延伸率）、表面質(zhì)量（表面粗糙度）和內(nèi)部質(zhì)量（縮孔和氣孔缺陷）是評價擠壓鑄造零件性能的三個核心指標。然而，這些指標對工藝參數(shù)的響應往往是相互矛盾的。例如，提高液態(tài)金屬溫度可改善鑄件表面質(zhì)量，但會導致力學性能下降；降低模具溫度有利于獲得較高的力學性能，但表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量可能惡化。因此，如何在多個性能指標之間進行權(quán)衡，獲得綜合性能最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，是鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝優(yōu)化面臨的關(guān)鍵問題。

本文基于正交試驗結(jié)果，采用加權(quán)法將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題。首先，對每個性能指標賦予一定的權(quán)重，根據(jù)指標的重要程度確定權(quán)重系數(shù)。然后，將各指標值乘以相應的權(quán)重系數(shù)，再求和得到綜合性能評價值。最后，以綜合性能評價值為優(yōu)化目標，結(jié)合正交試驗的極差分析和方差分析，確定各工藝參數(shù)的最優(yōu)水平組合。本文選取的權(quán)重系數(shù)為抗拉強度0.35、延伸率0.25、表面粗糙度-和內(nèi)部缺陷的權(quán)重系數(shù)-0.2，突出了力學性能在汽車零部件性能要求中的重要地位。

3.2 基于正交試驗結(jié)果的參數(shù)優(yōu)化

為了揭示擠壓速度、模具溫度和液態(tài)金屬溫度對AC4D鋁合金汽車零部件性能的影響規(guī)律，本研究采用L9（34）正交表安排試驗，每個工藝參數(shù)選取三個水平，分別測試鑄件的抗拉強度、延伸率、表面粗糙度和內(nèi)部缺陷面積分數(shù)。將測試結(jié)果代入綜合性能評價函數(shù)，計算得到各試驗方案下的綜合性能評價值。由表可見，試驗方案3的綜合性能評價值最高，為0.785；其次是試驗方案6和試驗方案2，綜合性能評價值分別為0.682和0.654。對比試驗方案3、6、2的因素水平組合可知，擠壓速度、模具溫度和液態(tài)金屬溫度的優(yōu)選水平分別為0.6m/s、225℃和700℃。

為進一步分析各因素對鑄件綜合性能的影響顯著性，對正交試驗結(jié)果進行極差分析和方差分析。由各因素的綜合性能評價值的極差分析結(jié)果可以看出，擠壓速度和液態(tài)金屬溫度對鑄件綜合性能的影響較為顯著，極差R分別達到0.215和0.174；而模具溫度的影響相對較小，極差R為0.094。這表明在擠壓鑄造工藝優(yōu)化時，應重點關(guān)注和控制擠壓速度和液態(tài)金屬溫度，而模具溫度的影響相對次要。

表1為正交試驗結(jié)果的方差分析。由表可見，擠壓速度和液態(tài)金屬溫度的F值分別為28.46和19.37，均大于臨界值F0.01（2，2）=99.00，表明這兩個因素對鑄件綜合性能的影響達到了極顯著水平（P<0.01）；而模具溫度的F值為5.38，大于臨界值F0.05（2，2）=19.00，但小于F0.01（2，2），表明其影響達到顯著水平（0.01<P<0.05）。這與極差分析的結(jié)果相一致，進一步證實了擠壓速度和液態(tài)金屬溫度是影響鋁合金汽車零部件擠壓鑄造質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)，在工藝優(yōu)化時應優(yōu)先考慮；而模具溫度雖然影響相對次要，但也不可忽視，應在合理范圍內(nèi)進行優(yōu)選。

綜上，通過正交試驗和多目標優(yōu)化，得到鋁合金汽車零部件擠壓鑄造的最佳工藝參數(shù)組合為：擠壓速度0.6m/s、模具溫度225℃、液態(tài)金屬溫度700℃。在該參數(shù)組合下，可兼顧鑄件的力學性能、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，獲得綜合性能最優(yōu)的鋁合金汽車零部件。

3.3 優(yōu)化工藝參數(shù)下零件性能的對比

為驗證優(yōu)化工藝參數(shù)的有效性，分別在優(yōu)化參數(shù)（擠壓速度0.6m/s、模具溫度225℃、液態(tài)金屬溫度700℃）和基準參數(shù)（擠壓速度0.4 m/s、模具溫度200℃、液態(tài)金屬溫度680℃）下制備鋁合金汽車控制臂，對其力學性能、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷進行對比測試?？梢钥闯?，優(yōu)化工藝參數(shù)下鑄件的各項性能指標均得到明顯改善。鑄件抗拉強度從基準參數(shù)下的263 MPa提高到285 MPa，提高了8.4%；延伸率從5.2%增加到7.6%，提高了46.2%。這主要得益于優(yōu)化的擠壓速度和液態(tài)金屬溫度改善了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，獲得了更加致密均勻的凝固組織。與此同時，表面粗糙度Ra從0.58μm降低至0.41μm，鑄件表面光潔度顯著提高。這是由于適中的模具溫度和較高的液態(tài)金屬溫度改善了液態(tài)金屬在型腔表面的充填能力，減少了表面缺陷[5]。此外，優(yōu)化工藝條件下鑄件的內(nèi)部縮孔缺陷面積分數(shù)從1.35%降低到0.76%，氣孔缺陷尺寸明顯減小。X射線檢測結(jié)果直觀地展現(xiàn)了內(nèi)部缺陷的改善情況。因此，正交試驗優(yōu)化得到的擠壓鑄造工藝參數(shù)能夠在提高鋁合金零件力學性能的同時，兼顧表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，較好地實現(xiàn)了多目標的平衡，為鋁合金汽車零部件的性能提升提供了有力保障。

需要指出的是，本文獲得的最佳工藝參數(shù)是基于所選鋁合金材料AC4D和特定的汽車控制臂零件而得出的，并不能直接推廣到其他鋁合金材料體系和零件類型。對于不同的鋁合金汽車零部件，需要根據(jù)其材料特性、結(jié)構(gòu)特點和性能要求，針對性地開展擠壓鑄造工藝參數(shù)的優(yōu)化研究。雖然正交試驗法可以用較少的試驗次數(shù)獲得較全面的因素影響規(guī)律，但無法深入揭示因素之間的交互作用效應。后續(xù)研究中，可采用響應面法等試驗設計方法，構(gòu)建工藝參數(shù)與鑄件性能之間的定量關(guān)聯(lián)模型，實現(xiàn)擠壓鑄造工藝的智能化優(yōu)化與控制。

4 結(jié)語

本文通過正交試驗系統(tǒng)研究了擠壓鑄造的工藝參數(shù)對鋁合金汽車零部件性能的影響規(guī)律，得到了不同參數(shù)水平下力學性能、內(nèi)部缺陷和表面質(zhì)量的變化趨勢。在此基礎上，提出了多目標工藝參數(shù)優(yōu)化方法，獲得了兼顧零件性能與質(zhì)量的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。研究結(jié)果可為鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝的優(yōu)化和控制提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導。今后還需開展工藝參數(shù)與零件組織性能的關(guān)聯(lián)研究，進一步完善鋁合金汽車零部件擠壓鑄造的質(zhì)量控制體系。

參考文獻：

[1]姜巨福，孔令波，黃敏杰，等.6082鋁合金汽車法蘭擠壓鑄造數(shù)值模擬及試驗驗證[J].鑄造，2024，73（03）：313-320.

[2]樸俊杰，姜博，胡茂良，等.復雜結(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.

[3]曹月梅，姜雪茹，趙海良.擠壓鑄造壓力對汽車用A356鋁合金性能的影響[J].熱加工工藝，2023，52（09）：88-91.

[4]吉澤升，張永冰，姜博，等.鋁合金擠壓鑄造的研究進展及其在汽車輕量化上的應用[J].鑄造工程，2020，44（02）：39-45.

[5]李宇飛，馮志軍，李澤華，等.擠壓鑄造高強度鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件[J].特種鑄造及有色合金，2019，39（12）：1308-1311.