复杂结构ADC12铝合金汽车支架挤压铸造工艺参数优化

朴俊杰，姜博,1b*，胡茂良，王晔，吉泽升,，SUGIYAMA Sumio，许红雨，王云龙，张永冰

复杂结构ADC12铝合金汽车支架挤压铸造工艺参数优化

朴俊杰1a，姜博1a,1b*，胡茂良1a，王晔1a，吉泽升1a,2，SUGIYAMA Sumio3，许红雨1a，王云龙2，张永冰2

（1.哈尔滨理工大学 a.材料科学与化学工程学院 b.先进制造智能化技术教育部重点实验室，哈尔滨 150080；2.哈尔滨吉星机械工程有限公司，哈尔滨 150060；3.东京大学 生产技术研究所，东京 153-8505）

解决ADC12铝合金汽车发动机支架在挤压铸造成形工艺下的缺陷问题。利用ProCAST模拟软件对该汽车发动机支架的挤压铸造充型和凝固过程进行模拟，对挤压铸造工艺参数进行正交试验设计并模拟得到最佳工艺参数，对铸件浇注远端厚壁部位采取局部加压优化措施，并对厚壁部位进行X-Ray探伤，观察铸件的缺陷情况。对挤压铸造的工艺参数进行正交试验极差分析后，发现各工艺参数按对铸件凝固后质量的影响程度从大到小的顺序依次为挤压比压、浇注温度、模具温度。通过正交试验得到优化后的工艺参数为浇注温度730 ℃、模具温度300 ℃、挤压比压150 MPa。局部加压时挤压销的最佳激活时间为4 s，此时可以完全消除铸件内部的缩孔缩松缺陷。选择优化后的工艺参数生产该汽车发动机支架，产品外观完整，没有出现表面裂纹等缺陷。在X-Ray探伤下无明显缺陷，内部质量良好。选择合理的浇注温度、模具温度和挤压比压可以有效减少铸件内部的缩孔缩松缺陷，采用局部加压并合理控制挤压销的激活时间可以完全消除缩孔缩松缺陷。

ADC12铝合金；挤压铸造；数值模拟；局部加压；铸造缺陷

挤压铸造是一种将铸造和锻造的优点集为一体的先进铸造成形技术，它通过施加较高的压力对液态金属进行强制补缩，从而可以获得组织致密、力学性能高的精密铸件[1]。挤压铸造技术已经在汽车、船舶、航天等领域得到了广泛应用。乔岗平等[2]使用ProCAST对铝合金制动钳的挤压铸造过程进行了数值模拟，分析了挤压速度对液体流动状态及充型缺陷的影响，并根据制动钳结构确定出最优的挤压速度。黄海峰等[3]使用ProCAST对铝合金飞轮壳挤压铸造的充型和凝固过程进行了模拟分析，结果表明，金属液没有按照顺序凝固，产生了缩松缩孔缺陷，根据模拟结果增加冷却系统后，消除了大部分缺陷。Wang等[4]采用半固态挤压铸造工艺制备了铝合金涡旋盘，利用ProCAST研究了浇注温度和挤压速度等工艺参数对合金充型和凝固过程的影响。由此可见，使用ProCAST软件对压铸件的铸造过程进行数值模拟可以预测铸造缺陷，以便于获得缺陷小、力学性能好的铸造产品[5-7]。然而在实际生产中，对于一些结构复杂的零件，仅通过挤压铸造的方式仍不能完全消除铸造缺陷。解决这些复杂结构件内部的铸造缺陷已成为当今的研究热点[8-10]。

本文以复杂结构挤压铸造铝合金汽车支架为研究对象，采用ProCAST软件进行模拟分析，通过正交试验对浇注温度、模具温度和挤压比压等关键工艺参数进行优化，引入局部加压技术对缺陷进行调控，从而获得最佳铸造工艺参数，以期为ADC12铝合金汽车支架的生产提供理论依据。

1 产品结构分析与模拟参数设置

1.1 产品结构

以ADC12铝合金汽车发动机支架为研究对象。汽车发动机支架三维模型和实物如图1所示。该零件结构复杂，中间部分为薄壁，上下两端为厚壁。该零件长度为247.43 mm，最大高度为98.64 mm，中间薄壁处最小壁厚为6.53 mm，浇注远端厚壁部位最大壁厚为35.52 mm，铸件顶端厚壁部位最大壁厚为30.71 mm。

图1 发动机支架三维模型和实物图

材料选用ADC12铝合金，其热物性参数[11-12]如表1所示。在ProCAST材料数据库中添加ADC12铝合金并输入其元素成分。在划分网格之前采用ProCAST中的Geometry-Basic shapes画出虚拟模具并预留出浇口，模具材料为H13钢。设置模具和外界环境的换热形式为空冷[13-15]。将铸件的三维模型以stp.格式导入ProCAST中进行非均匀性面网格和体网格划分。由于对中间薄壁部分的精度要求较高，因此将中间部分点间距设置为2 mm；考虑到模拟精度和效率，将其他部分点间距设置为3 mm；模具结构相对简单，按照经验，模具的网格间距设置较大，取6 mm。二维面网格总数量为185 412，三维体网格总数量为2 384 528。

表1 ADC12热物性参数

1.2 模拟参数设置

挤压铸造的关键工艺参数有浇注温度、模具温度、挤压比压、压射速度[16]。压射速度重点影响充型时的卷气过程，因为挤压铸造的特点为低速充型高压凝固，并且本课题重点是解决铸造缺陷问题，因此将压射速度设置为定值0.15 m/s[17-18]。此外，在数值模拟过程中，挤压比压的大小与金属液和模具接触的紧密性相关，越大，紧密性越强，其等效换热系数越高。当为0.1～190 MPa时，其等效换热系数与压力呈线性关系，等效换热系数的计算如式（1）所示[19]。

1 990.5+94.8(1)

本文采用正交试验以高效探究汽车发动机支架的最佳挤压铸造工艺参数。选取3个因素分别为浇注温度（）、模具温度（）、挤压比压（）。其中，浇注温度选取630、680、730 ℃三个水平；模具温度选取300、350、400 ℃三个水平；挤压比压选取80、120、150 MPa三个水平。正交试验参数如表2所示。

表2 正交试验参数

2 模拟结果与试验验证

2.1 过程流场

挤压铸造充型过程是合金熔体在冲头挤压力的作用下克服重力与复杂结构阻力流动填充型腔的过程。在表2中试验5工艺参数下得到的铸件充型过程如图2所示。合金熔体由下端面至上端面逐渐充满整个型腔。合金熔体在充型时缓慢平稳，无明显飞溅和卷气现象，这是因为充型速度0.15 m/s属于低速充型，并且该模拟为反重力充型。在0.54 s时，如图2a所示，合金熔体从浇道底部平稳均匀向上填充，即将进入铸件型腔。在1.28 s时，如图2b所示，合金熔体进入铸件型腔中，充满型腔底端并快速充填到型腔薄壁部分，此时流动阻力较小，合金熔体的填充速度相对较快，同时合金熔体前沿流向设置的下溢流槽起到收集前沿裹气、夹渣较多的低温合金熔体的作用。在3.21 s时，如图2c所示，合金熔体在铸件型腔中逐渐充满型腔的厚壁部位，此时合金熔体的压力传递效率变小。在4.03 s时，如图2d所示，上溢流槽成为充型过程中最后完成充填的结构，有效提高了铸件的质量，此时合金熔体充满整个型腔，充型过程结束。

图2 5号铸件充型模拟过程

为了探究该汽车发动机支架铸造时的凝固过程，本文以表2中试验5工艺参数下的凝固过程在6 s时的固相分布和铸件在轴的某一截面图为例进行分析，如图3所示。由图3a可知，由于合金熔体从下端面开始充型，导致型腔底端的固相率低于30%，铸件中间部位的固相率达到80%，这是由于铸件的中间薄壁部分与模具接触面积较大，产生了温度差，此部分温度先达到固相线以上，导致此部分先凝固。浇注远端的厚壁部位表面固相率在50%左右，由图3b可知，在浇注远端厚壁部位中心处出现了热节，此处温度较高，导致“孤立熔池”的存在，此部位中心的固相率为13%左右，说明在此部位，合金熔体仍处于液相线以下。铸件的顶端厚壁中心部位固相率达到20%，这是由于从浇注远端到顶端，厚壁部位之间仍由一个薄壁连接，存在温度差且压力传递效率低，导致此部位温度达到液相线以下，最终导致凝固顺序改变。

图3 试验5铸件6s时的固相率（a）和铸件xz轴截面（b）

2.2 缺陷场

9组正交试验参数下的缺陷场模拟结果如图4所示。不同工艺参数下铸件的模拟缺陷体积如图5所示。由图4可知，浇注远端厚壁部位和铸件顶端厚壁部位均产生了较大的缩孔缩松缺陷。浇注远端厚壁部位处产生缺陷是由于铸件中间部位较薄，与模具接触面积较大，由于热交换作用，此处先开始凝固，随着凝固时间的延长，薄壁内附近凝固的金属壳越来越厚，于是充型压力难以向上传递，故在厚壁部位处易出现缩孔缩松缺陷。铸件顶端产生缺陷是由于浇注远端厚壁部位和顶端之间由薄壁连接，充型压力不足导致产生缩孔缩松缺陷。由图4a和图5可知，试验1的缩孔缩松缺陷体积最大，为8.75 cm3，此时工艺参数为浇注温度630 ℃、模具温度300 ℃、挤压比压80 MPa。由图4d和图5可知，试验4的缩孔缩松缺陷体积最小，为1.56 cm3，此时工艺参数为浇注温度680 ℃、模具温度300 ℃、挤压比压150 MPa。综合分析可知，在相同条件下，挤压比压越大，缩孔缩松缺陷体积越小。

图4 不同工艺参数下的缺陷场模拟结果

图5 缩孔缩松缺陷体积

为了探究各个因素对评价指标的影响规律以及权重，以缺陷体积为评价标准对正交试验结果进行极差分析，极差分析结果如表3所示。其中1、2、3分别表示在浇注温度、模具温度、挤压比压参数下同一水平的缩孔缩松体积之和的平均值[20]；代表极差，的大小可以反映充型过程中参数对铸件充型与凝固质量的影响，值越大，该参数对铸件质量的影响越大，反之越小。

表3 极差分析表

由表3可知，工艺参数最佳组合为313，即浇注温度为730 ℃、模具温度为300 ℃、挤压比压为150 MPa。极差分析结果表明：2＜1＜3，即在浇注过程中，挤压比压对铸件充型凝固产生缺陷的影响最大，其次为浇注温度，影响最小的是模具温度。

3 局部加压模拟与试验验证

3.1 局部加压模拟参数设置

利用正交试验法对挤压铸造工艺参数进行了优化，获得了汽车发动机支架铸造缺陷的关键影响因素。但在最佳工艺参数条件下仍存在一定尺寸的铸造缺陷，此时铸件的性能不能满足使用要求。本文采用局部加压技术对铸件远浇口位置进行铸造缺陷控制，其原理是对型腔内的半固态金属液施加外在机械压力，使其内部强制补缩，以提升铸件内部的组织致密度，达到消除缩孔缩松的目的[21]。先采用ProCAST软件中的Pin squeeze功能对厚壁部位进行局部加压[22-24]。局部加压补缩装置如图6所示。局部加压工艺参数包括挤压销直径、挤压销行程、挤压销激活时间等。根据厚壁部位缺陷位置和经验估算出挤压销行程，设置为10 mm，根据厚壁部位特征，确定挤压销直径为15 mm。在上述最佳工艺参数条件（浇注温度730 ℃、模具温度300 ℃、挤压比压150 MPa）下，着重控制挤压销激活时间以找到最佳的局部加压工艺参数，保证缩孔缩松缺陷达到最小。

图6 局部加压装置三维图与加压位置图

当浇注远端厚壁部位处的金属液处于半固态时，激活挤压销[25]。以挤压铸造的充型和凝固过程时间点为依据，金属液充满型腔需要4 s，由图3可知，在6 s时浇注远端的厚壁部位中心存在热节，此时适合挤压。为了保证工艺参数的连续性，共设置4组工艺参数（2、4、6、8 s），分别进行4组局部加压模拟试验，探究挤压销合适的激活时间。

3.2 局部加压模拟结果

通过ProCAST模拟软件进行4组局部加压模拟试验。不同激活时间下的缺陷场模拟结果如图7所示。在激活时间为2 s时，浇注远端厚壁部位和铸件顶端厚壁部位出现了缩孔缩松缺陷。当激活时间为4 s时，浇注远端厚壁部位和铸件顶端厚壁部位的缩孔缩松缺陷完全消除。当激活时间为6 s时，浇注远端厚壁部位的缩孔缩松缺陷体积小于1 cm3。当激活时间为8 s时，仍存在明显的缩孔缩松缺陷。所以预测最佳挤压销的激活时间为4～6 s。

3.3 试验验证

对正交试验各工艺参数进行模拟，获得了最优工艺参数，并对最优挤压铸造工艺参数下的厚壁部位进行局部加压验证。挤压销激活时间不同时的X-Ray探伤图如图8所示。可以看到，在2 s和8 s时，厚壁部位处和铸件顶端厚壁部位均存在缩孔缩松缺陷；在4 s和6 s时无明显缺陷，铸件内部质量良好，与模拟结果相符。局部挤压销激活时间不同时的产品剖切图如图9所示，可以看到，实际缺陷与模拟缺陷位置和大小基本相符。

图7 不同激活时间下的缺陷场模拟结果

图8 不同挤压销激活时间的X-Ray探伤图

图9 不同局部挤压销激活时间的产品剖切图

4 结论

1）各工艺参数按对铸件凝固后质量的影响程度从大到小的顺序依次为挤压比压＞浇注温度＞模具温度。采用正交试验法利用ProCAST软件对目标铸件进行了模拟铸造，在无其他优化措施的情况下得到了最佳工艺参数组合，即浇注温度730 ℃、模具温度300 ℃、挤压比压150 MPa。

2）对铸件厚壁部位采取局部加压的措施可以有效减小铸件的缩孔缩松缺陷。当挤压销激活时间为4 s时，可以完全消除缩孔缩松缺陷。此产品采用局部加压的最佳激活时间为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

国家重点研发计划（2019YFB2006503）；黑龙江省科技重大专项（2021ZX05A02）

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

朴俊杰, 姜博, 胡茂良, 等. 复杂结构ADC12铝合金汽车支架挤压铸造工艺参数优化[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）

责任编辑：蒋红晨