原標(biāo)題：電動(dòng)汽車(chē)鋁合金副車(chē)架低壓鑄造凝固質(zhì)量?jī)?yōu)化研究

摘 要：針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架低壓鑄造零件結(jié)構(gòu)緊湊、壁厚不均勻和螺旋砂芯形狀復(fù)雜、砂芯體積占比大等原因造成的低壓鑄造內(nèi)部孤立液相、熱節(jié)和疏松等缺陷，運(yùn)用AnyCasting軟件模擬分析副車(chē)架低壓鑄造的溫度、壓力和模具結(jié)構(gòu)等因素對(duì)凝固結(jié)晶質(zhì)量的影響；通過(guò)組合缺陷和概率缺陷預(yù)測(cè)功能進(jìn)行綜合性的數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)鑄件孤立液相、熱節(jié)和疏松發(fā)生情況。研究AnyCasting在低壓鑄造模具冷卻的智能控制方法，探究如何運(yùn)用冷卻水管開(kāi)閉時(shí)序調(diào)整鋁合金冷卻凝固順序，提高副車(chē)架鑄件內(nèi)部組織成形致密度及低壓鑄造生產(chǎn)質(zhì)量。

前 言：為了適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)輕量化和鑄件一體化發(fā)展趨勢(shì)，許多車(chē)企的新能源電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架采用鋁合金整體低壓鑄造。一體化低壓鑄造成形的副車(chē)架結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，副車(chē)架自身質(zhì)量的減輕還能夠增強(qiáng)整車(chē)的承載性能，在提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性方面具有重要的意義。圖1所示為某電動(dòng)汽車(chē)后副車(chē)架零件和低壓鑄造模具圖，采用A356鋁合金材料低壓鑄造一體化成形，在保證了副車(chē)架鋁合金內(nèi)部結(jié)晶組織致密度要求的同時(shí)，還能滿足小型電動(dòng)汽車(chē)載重指標(biāo)和耐高溫性能要求，提高了整車(chē)的輕量化水平。但與此同時(shí)，副車(chē)架一體化的緊湊結(jié)構(gòu)使低壓鑄造的砂芯形狀、澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，為鋁合金液體的充型過(guò)程和順序凝固結(jié)晶增加了許多干擾因素，使預(yù)設(shè)的自上而下的結(jié)晶凝固順序發(fā)生變化，鑄件容易發(fā)生局部孤立液相、疏松和縮孔等缺陷。為了確保副車(chē)架鑄件內(nèi)部結(jié)晶組織成形的致密度，達(dá)到其高強(qiáng)度和耐高溫的工作性能要求，實(shí)踐中運(yùn)用AnyCasting模擬軟件的組合缺陷預(yù)測(cè)功能進(jìn)行綜合性的數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)鑄件孤立液相、疏松和縮孔發(fā)生情況，調(diào)整規(guī)劃模具冷卻水管分布和開(kāi)閉時(shí)序控制鋁合金冷卻凝固順序等，提升低壓鑄造質(zhì)量水平和生產(chǎn)能力，具體從以下幾方面進(jìn)行研究。

圖1 鋁合金副車(chē)架零件和模具結(jié)構(gòu)圖

1、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和缺陷分析

電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在汽車(chē)行駛過(guò)程中承受長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載工作，因此對(duì)內(nèi)部組織致密度要求更高，需要在確定工藝方案之前進(jìn)行精細(xì)的模擬比較分析，保證預(yù)設(shè)的低壓鑄造凝固順序正常實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展及在制造業(yè)的廣泛應(yīng)用，AnyCasting軟件的智能化低壓鑄造模擬的功能不斷豐富強(qiáng)大。運(yùn)用AnyCasting等智能數(shù)值模擬手段能夠進(jìn)行合理的模具設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確的工藝方案設(shè)計(jì)，從而達(dá)到更高的產(chǎn)品合格率。

1.1 模具結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1所示的副車(chē)架外形尺寸為1 050 mm×762 mm×365 mm，壁厚為4~8 mm，質(zhì)量為25.6 kg，采用A356高強(qiáng)度鋁合金低壓鑄造工藝成形。副車(chē)架鋁合金鑄件結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜，內(nèi)部由體積較大的整體砂芯形成，模具分成上模、下模和側(cè)模三個(gè)開(kāi)模方向，模具各部分組件均使用SKD61耐熱模具鋼材料制成，如圖2所示。其主要的外形部分設(shè)計(jì)在上模形成，下模主要分布著澆注系統(tǒng)并用于放置砂芯定位，合模前整體砂芯須按照固定的方向和位置要求在型腔內(nèi)安裝好。副車(chē)架低壓鑄造金屬液充型是典型的底注式，通過(guò)外加壓力和自上而下的凝固順序使鑄件內(nèi)部形成較為致密的結(jié)晶組織。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)入型腔，預(yù)設(shè)的低壓鑄造順序凝固方案為遠(yuǎn)離澆道的位置和上部先凝固，接近澆道的位置以及下部最后凝固。

圖2 副車(chē)架低壓鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于副車(chē)架零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是下部重量占比重較大，而且向多個(gè)方向發(fā)散延伸，通過(guò)外加壓力補(bǔ)縮對(duì)零件頂部的補(bǔ)縮效果不明顯，因此需要在副車(chē)架低壓鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)分散的冒口加強(qiáng)補(bǔ)縮和同時(shí)排氣。同時(shí)樹(shù)脂砂芯厚度形狀變化多，體積較大，砂芯發(fā)氣量較大，因此在多處增加冒口加強(qiáng)補(bǔ)縮和排氣。

1.?2 副車(chē)架低壓鑄造缺陷情況分析

由于電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是頂部質(zhì)量比重較少，底部向多個(gè)方向發(fā)散延伸，因此通過(guò)低壓鑄造外部施加的液面壓力補(bǔ)縮對(duì)零件頂部的補(bǔ)縮效果難以奏效。加上整體砂芯參與充型過(guò)程中與鋁液的熱傳導(dǎo)及氣體生成情況復(fù)雜，因此容易在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生多處散布的孤立液相和熱節(jié)，使預(yù)設(shè)的自上而下的凝固順序難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)金屬液必須全面包裹砂芯在其中才能完成充填凝固，這又使得反應(yīng)生成的氣體難以排除，增加了卷氣和夾渣的缺陷發(fā)生趨勢(shì)。具體的缺陷情況如表1所示。

表1 副車(chē)架低壓鑄造缺陷情況表

1.3 充型過(guò)程工藝設(shè)置和孤立液相的模擬

電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架低壓鑄造的生產(chǎn)使用HDTD-800型數(shù)字化液面壓力控制的低壓鑄造機(jī)，按照充型、增壓、保壓和減壓四個(gè)工藝階段設(shè)置了如表2所示的工藝參數(shù)。

表2 副車(chē)架低壓鑄造工藝參數(shù)設(shè)置表

AnyCasting數(shù)值模擬過(guò)程按照上述參數(shù)進(jìn)行，通過(guò)模擬傳感器檢查特定位置的速度、壓力、溫度值。提前預(yù)判副車(chē)架充型、熱傳導(dǎo)和凝固過(guò)程情況，并由傳感器的反饋生成缺陷預(yù)測(cè)云圖和數(shù)值變化圖表，如圖3所示。將副車(chē)架零件、砂芯和模具各組件的材料種類(lèi)及物理參數(shù)輸入AnyCasting，對(duì)充型結(jié)晶過(guò)程的溫度傳導(dǎo)、充型速度、充型壓力和凝固順序等進(jìn)行模擬分析。其中產(chǎn)品凝固完成時(shí)間150 s，澆注系統(tǒng)凝固完成時(shí)間412 s。

圖3 溫度傳導(dǎo)、充型速度、充型壓力和凝固順序模擬

低壓鑄造金屬液充型中砂芯在型腔中所占的體積越大，則金屬液與砂芯之間的熱傳導(dǎo)作用也越強(qiáng)烈，砂芯吸收削弱的鋁液熱量和壓力也越多。通過(guò)模具設(shè)計(jì)軟件可以直接得到砂芯在型腔中所占的體積比為36%，即在副車(chē)架上模型腔空間中砂芯就占了36%；這使得充型時(shí)金屬液必須將大量的熱能分配傳遞給砂芯，溫度梯度由此而迅速擴(kuò)大。造成熱節(jié)位置增多，凝固過(guò)程中產(chǎn)生孤立液相區(qū)，引起縮孔、疏松的傾向也隨之增大。充型過(guò)程的不同時(shí)間段，孤立液相區(qū)的預(yù)測(cè)分析如圖4所示。

圖4 不同充型階段孤立液相缺陷預(yù)測(cè)

此外，樹(shù)脂砂芯與鋁液反應(yīng)生成的氣體，與金屬液激蕩混合形成紊流，由此產(chǎn)生卷氣和夾渣等，凝固后則容易產(chǎn)生氣孔和冷隔等缺陷。由于形成缺陷的原因較多，所以需要通過(guò)如圖5所示的AnyCasting組合缺陷和概率缺陷預(yù)測(cè)功能進(jìn)行綜合性的數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)鑄件孤立液相、熱節(jié)和疏松發(fā)生情況。并使用反向云圖觀察充型時(shí)金屬液封閉區(qū)域，以便于規(guī)劃采取質(zhì)量改進(jìn)措施實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的凝固順序。

（a）缺陷概率預(yù)測(cè)參數(shù)設(shè)置 （b）組合缺陷預(yù)測(cè)參數(shù)設(shè)置
圖5 AnyCasting組合缺陷和概率缺陷預(yù)測(cè)功能

2、基于數(shù)值模擬的副車(chē)架凝固質(zhì)量?jī)?yōu)化措施

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架形狀低壓鑄造的孤立液相、疏松和縮孔等缺陷問(wèn)題，運(yùn)用AnyCasting軟件進(jìn)行副車(chē)架低壓鑄造充型數(shù)值模擬分析時(shí)，重點(diǎn)分析充型過(guò)程凝固順序偏差形成的孤立液相分布區(qū)域，鑄件壁厚不均勻產(chǎn)生的熱節(jié)，以及砂芯發(fā)氣量較大位置產(chǎn)生的卷氣等。

為后續(xù)通過(guò)規(guī)劃設(shè)計(jì)模具冷卻水道分布和局部鑲件位置選擇等優(yōu)化措施提供依據(jù)，并運(yùn)用AnyCasting在低壓鑄造模具冷卻中的流量智能控制方法，精確計(jì)算冷卻水管的流量，合理規(guī)劃鑄件各部位的冷卻時(shí)序控制方法，實(shí)現(xiàn)副車(chē)架低壓鑄造預(yù)設(shè)的凝固順序。

2.1 模具冷卻回路設(shè)計(jì)及開(kāi)閉時(shí)序控制

由于電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架零件形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，造成了外加壓力對(duì)零件頂部的補(bǔ)縮效果難以有效，且內(nèi)部成形的樹(shù)脂砂芯厚度形狀變化多，容易在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生多處散布的孤立液相和熱節(jié)，使預(yù)設(shè)的自上而下的凝固順序難以實(shí)現(xiàn)。AnyCasting的智能冷卻方案可以調(diào)整低壓鑄造模具局部的冷卻先后次序，控制鑄件不同部位的凝固順序。由于副車(chē)架大部分成形位置集中于上模型腔內(nèi)，因此上模的冷卻方案對(duì)于實(shí)現(xiàn)副車(chē)架預(yù)設(shè)的冷卻結(jié)晶凝固順序尤為重要。AnyCasting數(shù)值模擬設(shè)計(jì)中采用了式（1）進(jìn)行精確的計(jì)算：

式中：H為水頭差（m），壓力1 kg相當(dāng)于水頭差10 m；L為水管長(zhǎng)度（m）；S為管道比阻（可根據(jù)管道材料種類(lèi)查表獲?。?。

經(jīng)過(guò)AnyCasting冷卻水路、通水量和水路開(kāi)關(guān)時(shí)間等模擬輔助設(shè)計(jì)，并綜合考慮管道沿程壓頭損失，上、下模冷卻回路設(shè)計(jì)如圖6所示。

（a）上模冷卻回路設(shè)計(jì) （b）下模冷卻回路設(shè)計(jì)
圖6 上模、下模冷卻回路設(shè)計(jì)

針對(duì)上型腔中13處容易產(chǎn)生分散局部孤立液相的位置，上、下模共設(shè)計(jì)了3組冷卻回路，共6個(gè)水冷回路進(jìn)行循環(huán)冷卻。同時(shí)運(yùn)用AnyCasting的管道輔助設(shè)計(jì)功能，對(duì)冷卻回路的介質(zhì)選擇、開(kāi)關(guān)時(shí)序、溫度和流量控制等進(jìn)行了精細(xì)化的設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如表3所示。

表3 上模、下模冷卻時(shí)序控制表

為了實(shí)現(xiàn)理想的副車(chē)架低壓鑄造由遠(yuǎn)至近和自上而下的凝固順序，上、下模的冷卻回路在鋁液進(jìn)入型腔后逐步開(kāi)啟，并依照預(yù)定的順序依次進(jìn)行冷卻至鑄件凝固結(jié)束。其中冷卻系統(tǒng)補(bǔ)縮能力最強(qiáng)的區(qū)域應(yīng)設(shè)置在下模，為了更好地發(fā)揮連接下模的升液管和澆注系統(tǒng)的后續(xù)熱量補(bǔ)縮作用，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的凝固順序，下模的冷卻循環(huán)水路啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延遲，同時(shí)通過(guò)模溫機(jī)對(duì)冷卻水的時(shí)間和流量進(jìn)行時(shí)序控制，等待上模鋁合金基本完成凝固結(jié)晶后，再對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的低壓鑄造自上而下的凝固順序。

2.2 副車(chē)架低壓鑄造冷卻時(shí)序控制的應(yīng)用

在低壓鑄造機(jī)控制面板上通過(guò)選擇輸入框用來(lái)選擇各冷卻通道的冷卻控制方式，有時(shí)間控制和溫度控制方式兩種可選，時(shí)間控制方式按照輸入的等待時(shí)間和打開(kāi)時(shí)間來(lái)控制各冷卻通道的開(kāi)閉。溫度控制方式是通過(guò)檢測(cè)模具的實(shí)際溫度與設(shè)定的溫度對(duì)比，當(dāng)模具溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，打開(kāi)冷卻通道，當(dāng)模具溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)閉冷卻通道。圖7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7 低壓鑄造機(jī)冷卻控制設(shè)置及監(jiān)控

根據(jù)副車(chē)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，左右側(cè)模各選擇4個(gè)傳感器的測(cè)點(diǎn)用來(lái)進(jìn)行模具溫度檢測(cè)控制，測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度高于此值時(shí)冷卻通道才打開(kāi)，低于此值時(shí)關(guān)閉。同時(shí)需要配合合理的循環(huán)水壓力和流量值，取得最佳模具冷卻效果，控制副車(chē)架鑄件凝固結(jié)晶的順序。

3 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用AnyCasting軟件對(duì)副車(chē)架低壓鑄造澆注系統(tǒng)和工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)踐過(guò)程，以及運(yùn)用數(shù)字化控制的低壓鑄造機(jī)冷卻溫度監(jiān)控操作功能，調(diào)整冷卻水管開(kāi)閉時(shí)序，實(shí)現(xiàn)充型凝固順序的質(zhì)量改進(jìn)，證明可采用模溫機(jī)的時(shí)序控制冷卻回路開(kāi)閉方法以保證鑄件凝固結(jié)晶順序，以及配合冒口、冷卻鑲件和澆注系統(tǒng)的輔助補(bǔ)縮作用，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的由遠(yuǎn)至近和自上而下的凝固順序。除上述工藝優(yōu)化措施外，還需注意強(qiáng)化樹(shù)脂砂芯的烘干工藝質(zhì)量控制，盡量減少充型時(shí)樹(shù)脂砂芯與高溫鋁合金液體接觸所產(chǎn)生的氣體量。具體生產(chǎn)中還需要通過(guò)CAE智能模擬和生產(chǎn)實(shí)踐的不斷應(yīng)用總結(jié)，才能產(chǎn)生更成熟和系列化的工藝技術(shù)，并覆蓋副車(chē)架的不同種類(lèi)，滿足新能源電動(dòng)汽車(chē)副車(chē)架的大批量生產(chǎn)需要。

作者
韓偉 李冬冬 陳曉斌
廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院
楊安
貴州藍(lán)輝新材料有限公司
本文來(lái)自：《鑄造》雜志