铝合金发动机后体座压铸工艺数值模拟与优化

摘 要：利用Anycasting软件模拟分析了ADC12铝合金发动机后体座在液态金属充型过程与凝固过程中，不同压铸条件下，不同工艺参数对铸件性能的影响，有效地预测了液态金属在凝固过程中产生气孔和疏松的部位，获得较优的压铸工艺参数。同时，运用P-Q图对该工艺参数进行了可行性分析，为提高ADC12铝合金发动机后体座的压铸质量提供依据。模拟结果表明，铸件最优工艺参数为：低速压射速度0.2m/s，高速压射速度2.5m/s，浇注温度为670℃，模具温度为200℃。通过实际压铸试验结果表明，该工艺参数符合生产工作要求，可进行批量生产。

关键词：缺陷预测；压铸工艺；发动机座；数值模拟

中图分类号：TG249.2；TG156.3

文献标志码：A

Numerical simulation and optimization of die casting process

for aluminum alloy engine rear seat

LIU jun1， WANG zongjing1， DU rui2， CUI jiangtao1

（1. School of Mechanical Engineering， Yancheng Institute of Technology，

Yancheng 224002， Jiangsu， China;

2. Jingjiang Shunda mold Technology Co.， Ltd.， Jingjiang 214500， Jiangsu， China）

Abstract： In this paper， Anycasting software was used to simulate and analyze the influence of different process parameters on the liquid metal filling and solidification process of the rear body of the ADC12 aluminum alloy engine under different die casting conditions， effectively predicting the porosity and porosity of the liquid metal during the solidification process， and obtaining better die casting process parameters. At the same time， the feasibility analysis of the process parameters is carried out by using P-Q diagram， which provides a basis for improving the die-casting quality of the rear body of the ADC12 aluminum engine. The simulation results show that the optimal process parameters are as follows： low speed injection 0.2m/s， high speed injection 2.5m/s， casting temperature of 670℃， mold temperature of 200℃. The actual die casting test results show that the process parameters meet the production requirements and can be used for mass production.

Key words： defect prediction; diecasting process; engine seat; numerical simulation

0 引 言

压铸铝合金铸件有尺寸精度高、材料利用率达90%、生产效率高等优点，被广泛应用于汽车制造业［1］。以前的模具生产主要是靠工人师傅的经验生产，并且需要进行大量的反复试验和压铸生产，浪费大量的人力和物力。近年来产品更新迭代快，客户对缩短开发周期的需求也在不断提升。

为了能够更快地确定压铸件浇排系统，现可以通过压铸模拟分析软件在实际压铸生产前进行数值模拟分析，观察金属的流向，并预测出铸件在充型和凝固过程中可能出现的各种缺陷，如气孔、疏松等及其部位［2］，以便提前采取相应的对策，以达到从全局出发，优化压铸过程，降低生产成本的目的。

本文针对铝合金发动机后体机座，运用模流仿真软件Anycasting对发动机座的充型和凝固过程进行仿真模拟。通过试验和模拟计算的结果，确定了最佳的压铸工艺参数组合，降低了铸件的缺陷率，提高了铸件质量。

1 零件总体分析

发动机后体座的三维模型如图1所示。它的整体外形尺寸为183mm×111mm×176mm，质量为5.73kg。如图2所示。用NX软件可计算出发动机后体座的壁厚参数为：最大壁厚27.3mm，平均壁厚7.13mm，壁厚差较大。

由图1可以看出，铸件结构较复杂，中间部位有深腔、外壁以及底部布置了比较多的交叉薄壁筋板。工况要求铸件上的孔位需要加工，连接面需要精加工，如图3所示。黄色区域为需加工打磨和精加工面，且铸件要求无气孔、疏松等缺陷，深腔部分需要通过水下测漏试验。

2 数值模拟前处理及工艺参数设定

2.1 铸件及浇注系统设计

发动机后体座铸造模型如图4所示，该铝合金发动机后体座采用卧式冷室压铸机进行生产，压铸机品牌与型号为力劲DCC800，压射冲头直径为90mm，采用扇形分流道。铸件平均厚度较大，为使凝固时的铸型的温度分布均衡合理，需要同时实现顺序凝固，在发动机后体座铸件周围都设置了集渣包和排气道，以实现收集冷料和内部气体的功能。

2.2 模拟过程边界条件

在实际压铸模拟过程中，相应的边界条件是根据实际压铸阶段来确定的，模具的边界条件可分为三类［4］：铸型与铸件、空气与铸型、铸型和流体介质。在本模拟中，空气与铸件、空气与铸型的界面换热系数取41W/（m2·K），铸型与铸件的界面换热系数取1200W/（m2·K）。压铸模拟过程中，使用的合金材料和铸型材料分别是ADC12铝合金和H13模具钢，表1为ADC12在570℃下的物理参数，表2为H13材料的物理性质［5］。

2.3 模拟过程工艺参数

将带有浇排系统的铸件三维模型导出为Stl的文件格式，并导入Anycasting软件之中进行网格划分，由于铸件结构比较复杂，内浇口的壁厚与铸件壁厚不同，采用不均匀网格进行网格划分，划分浇排系统网格边长为0.004m，划分铸件型腔网格边长为0.002m，生成网格数量。

3 数值模拟分析

3.1 充型速度分析

在进行压铸生产时，压射速度的选取极其重要。而压射速度分为两级，第Ⅰ级为慢压射速度，在这一阶段中，要求将压室中的金属液充满压室，在既不过多地降低合金液温度又利于排出压室中的气体的原则下，该阶段速度应尽量低，一般以0.15～0.30m/s为宜。第Ⅱ级为高速压射速度，它与充型质量有着十分密切的关系，冲头压射速度过低，铸件无法成型或成型品质较差。然而该铸件中间部分壁厚较大，高速压射速度也不宜过快，该铸件高速压射速度以2～3m/s为宜［6］。表3为该压铸件慢压射速度与高速压射时充型速度的参数。对3组充型速度进行模拟，选出较优的慢压射速度和高速压射速度进行试验。

图5为分别以表3中3组充填速度，在不同充型时间下进行金属液铸件充型的模拟结果。图5（a）， 5（b）， 5（c）分别表示以每组充型速度在充型时间t=32ms时分别对铸件内浇口充型的结果。从图5可看出1， 2两组金属液可平稳填充，且整齐地通过浇道到达内浇口，没出现飞溅现象；而从图5（c）中可以看出，在t=32ms的时间下，由于充型速度较快，金属液飞溅会快速撞击到铸件外壁，在最后产品成型时可能会在铸件表面产生气孔，影响铸件的强度。图5（d）～5（f）分别为3组充型速度在充型时间t=84ms时的充型结果，从图中可看出3组都可以顺序填充；然而从图5（f）中可以看出，因为铸件两边与中间的金属液充填速度不一致，会使得流动过快的金属液与流动较慢的金属液混合，共同填充空白区域，见图5（f）中A区域，该区域易出现卷气现象，产生气孔。在相同充型时间t=134ms时，由图5（g）可知，由于充型速度较慢，金属液流动性变差，填充不完整，且温度下降快易出现夹渣现象，从而产生铸件缺陷；而由图5（h）可知，金属液流动较好，未出现由充型速度快慢不均造成的填充不完整的空白区域，填充率也较好；图5（i）相较于图5（g）的充型速度较快，流动性较好，在相同充型时间下充填率较高。然而在B区域有未填充的白色区域，该区域由于被两股金属液包围后才慢慢被填充，可能会导致该区域出现憋气现象，产生缺陷。在实际压铸生产时，金属液的充型速度选取应该满足填充时金属液不飞溅，能顺序填充，可尽量把空气排出，且能在一定时间内把压室填充完整。故在本次压铸生产中选取表3第2组充型速度：慢压射速度为0.2m/s，高速压射速度为2.5m/s可满足生产要求。

3.2 充型过程分析

图6为模拟发动机后体座在不同充型阶段的模拟结果示意图。由图可知，在充型率t=20%时铝液开始从料饼通过流道进入内浇口，在充型率t=30%时，铝液以喷射的状态开始进行填充，这是正常压射速度由低速向高速转换的过程，压射速度切换为高速后，金属液平稳进入型腔开始填充。当充型率t=65%时，合金液开始慢慢向深腔内部和四周散开进行填充。当充型率t=90%时，金属液最终在远离型腔的最边缘溢流槽处汇合。最终充型时间为0.1689s，金属液已经充满铸件型腔，并进入末端的排溢系统，溢流槽和渣包中包含了许多型腔中排出的合金液及气体，说明流溢槽和排气槽相互配合，起到了良好作用。整个充型过程比较平稳，合金液没有出现飞溅、欠铸等现象，很大程度上可以避免卷气现象的发生，说明浇注、排溢系统设计合理。经过分析认为，上述所选充型速度符合工艺要求，可用于生产压铸试验。

3.3 浇注温度对铸件质量的影响

当浇注铝液温度过高时，会导致铸件的内部填充不紧密，产生裂纹等问题。浇注温度过低时，金属液流动不畅，在流动过程中，前面的铝液可能会先发生凝固，使得铝液难以充分填充模具，在铸件中会产生气孔、缩松等现象，导致铸件质量下降［7］。本试验模拟浇注温度分别为650℃和670℃，模具温度初步选择为200℃，慢压射速度为0.2m/s，高速压射速度为2.5m/s。

图7（a）， 7（b）为铸件在670℃下浇注凝固率过程示意图，图7（c）， 7（d）为铸件在650℃下浇注凝固率示意图。由图7（a）， 7（c）可知，以两种不同温度充型时，凝固过程中，合金液从最边缘溢流槽部分先凝固，接着在铸件厚壁处和深腔后端开始凝固，然后在型腔中间部分发生凝固，接着是内浇道，浇口处最后凝固，实现了薄处、厚处、内浇道的顺序凝固，而凝固过程的温度随着时间的变化是先迅速下降，随后逐渐变得平稳。

在Anycasting软件中，残余熔体模数是用来表达和预测铸造过程中铸件可能出现疏松缺陷的部位的重要依据［9］。图8（a）， 8（b）和图8（c）， 8（d）分别为650℃和670℃浇注时铸件断面残余熔体模数预测缺陷分布图，从图中可以看出，铸件出现缺陷的部位在深腔和渣包处，而渣包是后期需要加工去掉的，所以对铸件缺陷没有影响。

图8（a）， 8（c）中，当浇注温度为650℃时，金属液凝固后在深腔壁厚较大的区域有明显的缺陷产生，而图8（c）， 8（d）表明，在670℃时，金属液凝固后在深腔位置处的缺陷明显减少。然而，铸件应首先满足组织性能，为了最大程度地避免铸造缺陷的产生，670℃是更好的浇注温度，可以最大程度上减少气孔、疏松等铸造缺陷。

3.4 模具温度对铸件质量的影响

压铸前需要将模具预热到一定温度，如果模具温度过高，成型产品在冷却固化时可能会收缩不均匀或失去形状，导致产品表面不光滑、变形，出现焊线或者气泡等缺陷，甚至可能会损坏模具［11］。而且，过高的模具温度会消耗大量的能源，影响生产效率和成本。然而，过低的模具温度也会导致产品表面不光滑，出现缩孔等缺陷，同时也会使产品的强度和韧性下降。本试验中模具温度分别选用200℃和220℃，浇注温度均选择670℃，慢压射速度为0.2m/s，高速压射速度为2.5m/s。

图9（a）， 9（b），图9（c）， 9（d）分别为模温200℃和220℃时的铸件顺序凝固过程图，在两种模温下，浇注均能实现顺序凝固。模温在200℃时，铸件顺序总凝固时间为40.2783s，模温为220℃时，铸件顺序总凝固时间为43.5648s。可以看出，铸件的凝固时间随着模具温度的降低而有所缩短，提高了生产效率。

图10为不同模温条件下铸件后部及带筋条部位的断面缩孔缺陷预测图，由图10（a）， 10（b）可知，当模温为200℃时，在铸件后部会出现疏松缺陷。由图10（c）， 10（d）可知，当模具温为220℃时，铸件在凝固过程中，后部会发生疏松缺陷，相较于模具温度为200℃时，缺陷明显增加。在实际压铸生产时，应该首先满足组织性能的要求，为了减少铸造缺陷的产生，模具温度应当选用200℃。

3.5 压铸可行性分析

运用P-Q图可以进行压铸前的可行性分析，在压铸件出现缺陷时，可以分析问题出现的原因，定位工艺调整方向。图11为压铸模具计算的压铸可行性分析表格，其中包括压铸机数据、模具数据、型腔填充数据和合金数据的计算表格。

如图12是根据压铸参数的可行性分析数据所生成的P-Q图，其中压铸机特征曲线表示模具与压铸机的匹配程度，P-Q图的模具线和设备线交点在所需要的压铸工艺窗口内部中间区域，说明此模具设计方案和压铸机的规格选取合理。而图中红点为所用最优参数的系统工作点，该点为选取的最佳工艺参数是符合工艺窗口里实际压铸生产的工作条件。

综合上述模拟分析结果，可得出最优的压铸工艺参数为：浇注温度为670℃，模具温度200℃，慢压射速度0.2m/s，高速充型速度2.5m/s。

4 优化参数试验验证

为验证优化参数后方案的可行性，采用表4中的压铸工艺参数进行试模打样。

图13为实际生产的发动机后体座压铸件。需加工的3个面和孔都进行了精加工和去毛刺，如图14所示。通过X射线检测仪可以看到，其铸件内部气孔和疏松的部位。由X射线探伤图（图15）可知，在模拟中产生缺陷的位置可以清楚地看到铸件的内部没有气孔、疏松等现象。所选择的工艺参数与实际压铸件的生产情况相吻合，产品质量有所提高，可满足生产需求。

4.1 铸件内部剖切图

由上述模拟分析可知，铸件可能出现缺陷的部位主要集中在深腔壁厚处。把上述铸件可能产生缺陷的部位用立式台锯切开以便观察。由图16可以看出，铸件的内部光滑，填充紧密并没有气孔、疏松等缺陷出现，质量符合实际生产要求。

4.2 铸件产品气密性检测

该产品对其内部深腔部分有密封要求。图17是水式气密性检查法，为了进行气密性检测，将铸件置于水槽中，使其完全浸没在水中。接着通过空气机上的金属管对其进行压紧密封，以确保在密闭条件中进行空气打压。测试中可以观察到，在水槽中没有气泡冒出，表明铸件的周边以及内部没有气孔延伸到铸件外部。铸件内部深腔符合气密性要求，满足技术标准，可进行生产。

5 总 结

（1） 采用低速压射速度0.2m/s，高速压射速度2.5m/s，在充型过程中，无金属液飞溅、欠铸等现象，金属表面光滑，可以实现顺序填充。

（2） 结合数值模拟分析结果，确定了ADC12铝合金发动机后体座最佳压铸工艺参数为：浇注温度为670℃，模具温度为200℃，低速充型速度为0.2m/s，高速充型速度为2.5m/s。

（3） 通过优化参数后的实际试模与验证可知，所选参数可以有效避免发动机后体座铸件产生气孔、缩松等缺陷，满足技术要求，为实际生产提供了有效的工艺生产模板。

参考文献：

［1］樊振中，袁文全，王端志，等.压铸铝合金研究现状与未来发展趋势［J］.铸造，2020，69（2）：159-166.

FAN Z Z， YUAN W Q， WANG D Z， et al. Research status and future development trend of die-casting aluminum alloy ［J］. Foundry， 2020，69（2）：159-166.

［2］李春玲.基于ProCast分析的汽车轮毂成型工艺及模具设计［J］.模具技术，2020（04）：19-27.

LI C L. Analysis of forming process and die design for automobile wheel hub based on Procast ［J］. Die and Mould Technology， 2020（04）：19-27.

［3］陈子业，苏小平.铝合金发动机支架压铸工艺设计及优化［J］.铸造，2021，70（12）：1466-1470.

CHEN Z Y， SU X P. Die casting process design and optimization of aluminum alloy engine bracket ［J］. Foundry， 2021，70（12）：1466-1470.

［4］黄裕飞，李晓棠，陈流，等.基于AnyCasting的镁合金缸盖结构设计与工艺参数优化［J］.铸造，2012，61（05）：489-493.

HUANG Y F， LI X T， CHEN L， et al. Structural design and process parameter optimization of magnesium alloy cylinder head based on AnyCasting ［J］. Foundry， 2012，61（05）：489-493.

［5］纪莲清，纪培英，熊守美，等.浇注温度对ADC12合金超低速压铸件组织性能的影响［J］.特种铸造及有色合金，2008（7）：529-531.

JI L Q， JI P Y， XIONG S M， et al. Effect ofpouring temperature on microstructure and properties of ultra-low speed die-casting ADC12 alloy ［J］. Special Casting amp; Nonferrous Alloys， 2008（7）：529-531.

［6］周倩，任浩，王俊有，等.铝合金变速箱外壳压铸模设计及工艺分析［J］.铸造，2021，70（03）：301-305.

ZHOU Q， REN H， WANG J Y， et al. Designand process analysis of die-casting die foraluminumalloy gearbox shell ［J］. Foundry， 2021，70（03）：301-305.

［7］田运灿，胡诗钦，茹中赟，等.基于数值模拟的铝合金差压铸造过程工艺优化［J］.模具技术，2022（05）：20-26.

TIAN Y C， HU S Q， RU Z Y， et al. Optimization of counter-pressure casting process of aluminum alloy based on numerical simulation ［J］. Die and Mould Technology， 2022（05）：20-26.

［8］张海龙，蒋明，赵辉，等.航空发动机复杂薄壁件精密铸造技术研究［J］.模具技术，2021（06）：1-7.

ZHANG H L， JIANG M， ZHAO H， et al. Research on precision casting technology of complex thin-walled parts for aeroengine ［J］. Die and Mould Technology， 2021（06）：1-7.

［9］杨匀龙，彭红.轴承盖压铸缺陷分析及工艺优化［J］.铸造，2014，63（07）：726-728.

YANG Y L， PENG H. Defect analysis and process optimization of bearing cover die casting ［J］. Foundry， 2014，63（07）：726-728.

［10］谭荣，吴培宁，张树有.压铸件铸造缺陷的计算机模拟与预测研究［J］.中国机械工程，2003（08）：77-81，6.

TAN R， WU P N， ZHANG S Y. Research on computer simulation and prediction of casting defects in die castings ［J］. China Mechanical Engineering， 2003（08）：77-81，6.

［11］陈国恩，汪学阳，黄志垣，等.压铸模具温度场的CAE模拟分析［J］.特种铸造及有色合金，2018，38（03）：271-273.

CHEN G E， WANG X Y， HUANG Z Y， et al. CAE simulation analysis of temperature field of die casting mold ［J］. Special Casting amp; Nonferrous Alloys， 2018，38（03）：271-273.