原標(biāo)題：利用虛擬試驗(yàn)的優(yōu)化功能優(yōu)化壓射低速速度

摘要：由于鋁合金高壓鑄造的壓射低速階段的速度參數(shù)基本上是憑借技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)去設(shè)定，造成壓射過(guò)程鋁液在壓室中帶進(jìn)的空氣量的不確定性，使鑄件的品質(zhì)波動(dòng)大。以某汽車油冷器的壓鑄工藝為例，采用Magma 軟件的DOE優(yōu)化功能，以減小鑄件內(nèi)部氣壓、卷氣，提高填充的性能為目標(biāo)，對(duì)鑄件的壓射低速進(jìn)行多組參數(shù)虛擬試驗(yàn)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)的模擬運(yùn)算、結(jié)果對(duì)比，篩選出最佳的壓射低速的數(shù)值。經(jīng)過(guò)壓鑄試制驗(yàn)證，表明采用軟件篩選的壓射低速參數(shù)，得到的鑄件內(nèi)部質(zhì)量良好，保證了壓鑄工藝的穩(wěn)定性，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

鋁合金高壓鑄造過(guò)程中，在低速階段，如果壓射速度過(guò)高，一方面會(huì)造成大量的空氣通過(guò)壓室進(jìn)入型腔，另一方面會(huì)造成鋁液在壓室里面翻騰，導(dǎo)致鋁液含氣量提高，從而影響到壓鑄件的質(zhì)量；如果壓射速度過(guò)低，會(huì)造成鑄件冷隔及成形不良。低速的具體要求是在低速區(qū)間（0.1-0.5 m/s），勻速或者勻加速地平緩地推動(dòng)金屬熔液，避免金屬液產(chǎn)生紊流而溶入氣體，從而降低金屬液的含氣量，同時(shí)也使模具型腔內(nèi)的氣體便于順利排出。一般情況下，這階段的壓射速度比較低，一般在0.1-0.5 m/s之內(nèi)。

目前通用的低速計(jì)算公式不能直觀地從填充成形的效果來(lái)分析，導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的結(jié)果偏差比較大。生產(chǎn)人員僅憑借經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)調(diào)試確定低速階段的速度參數(shù)，一方面造成工藝的不穩(wěn)定及大量的試制廢品，另一方面延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期。

以某汽車油冷器的開(kāi)發(fā)為例，利用Magma軟件對(duì)壓射低速階段的多組參數(shù)進(jìn)行了模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，篩選出滿足最優(yōu)目標(biāo)的壓鑄低速工藝參數(shù)。經(jīng)過(guò)壓鑄試制驗(yàn)證，使用最優(yōu)的低速參數(shù)生產(chǎn)的鑄件品質(zhì)優(yōu)良，保證了工藝的穩(wěn)定，縮短了鑄件的開(kāi)發(fā)周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

一、鑄件的基本介紹

圖1為某汽車零件油冷器帶澆注與排溢系統(tǒng)的全鑄件圖。其鑄件毛坯質(zhì)量為0.463 kg，澆注與排溢系統(tǒng)質(zhì)量為0.252 kg，材質(zhì)為AlSi9Cu3。鑄件基本尺寸為155 mm×136 mm×45 mm，平均壁厚為5 mm，其中最大壁厚為15 mm，最小壁厚為3 mm。鑄件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，預(yù)鑄油道孔A長(zhǎng)81 mm，預(yù)鑄油道孔B長(zhǎng)62 mm，見(jiàn)圖2。鑄件表面不能有冷隔、氣泡、起皮，內(nèi)部氣孔質(zhì)量要求按ASTM E 505 鋁合金氣（縮）孔等級(jí)2；試漏要求620±10 kPa下的泄漏值不超過(guò)5 mL/min。

圖1：油冷器全鑄件圖

圖2：油冷器剖視圖

二、虛擬填充選擇最佳的壓鑄低速

由于鋁合金高壓鑄造過(guò)程中的壓射低速階段的低速參數(shù)很難精確地掌握，試制過(guò)程中僅憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致廢品較多，工藝穩(wěn)定性差。結(jié)合Magma軟件對(duì)鋁合金高壓鑄造過(guò)程進(jìn)行模擬填充，確定低速參數(shù)，可以避免壓鑄工藝參數(shù)調(diào)整的盲目性，減少調(diào)試廢品，穩(wěn)定壓鑄工藝。

1、虛擬試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)定及優(yōu)化

運(yùn)用MAGMASOFT 模擬汽車零件油冷器的填充成型，根據(jù)同類型產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定模擬的常量條件：采用4000 kN壓鑄機(jī)，澆注溫度為660°C，定模溫度為150°C，動(dòng)模溫度為150°C，壓室溫度為180°C，壓室的有效距離為395 mm，鑄造壓力為78 MPa，高速位置為237 mm（內(nèi)澆口），高速速度為4 m/s，噴涂4 s，吹干3 s，壓射延時(shí)2 s，合模3 s。

設(shè)置以降低氣壓（Reduce Air Pressure），減少卷氣（Reduce Entrapped Air Mass），提高填充的光滑性（Smooth Filling）為優(yōu)化目標(biāo)。填充光滑性是MAGMASOFT軟件特有的模擬結(jié)果判據(jù)指標(biāo)。簡(jiǎn)單地說(shuō)填充光滑性數(shù)值越小,越填充性能越好。

設(shè)置多組低速參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化模擬，低速數(shù)值范圍在0.15～0.5 m/s之間，步長(zhǎng)設(shè)定為0.05 m/s。軟件對(duì)輸入的低速工藝參數(shù)自動(dòng)排列組合，生成8個(gè)方案及模擬結(jié)果，見(jiàn)表1。

可以看出Design5（低速0.35m/s）、Design3（低速0.25m/s）、Design7 （低速0.45m/s）、Design6（低速0.40m/s）效果最佳，為備選方案。

通過(guò)分析DOE綜合性指標(biāo)曲線圖（見(jiàn)圖3）和 DOE綜合性指標(biāo)趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖4），從減低氣壓、減低卷氣的指標(biāo)觀察，Design3（低速0.25 m/s）、Design5（低速0.35 m/s）、Design6（低速0.40 m/s）、Design7 （低速0.45 m/s）比較接近。從備選方案的模擬氣壓結(jié)果分析（見(jiàn)圖5），Design3鑄件的最高氣壓為2.554 MPa，Design5鑄件的最高氣壓為1.405 MPa，Design6鑄件的最高氣壓為11.887 MPa，Design7鑄件的最高氣壓為1.124 MPa，Design6鑄件氣壓分布最差，其余方案區(qū)別不大。從備選方案的模擬卷氣結(jié)果分析（見(jiàn)圖6），Design3鑄件的最高卷氣為54.35 μg，Design5鑄件的最高卷氣為63.08 μg，Design6鑄件的最高卷氣為757.95 μg，Design7鑄件的最高卷氣為135.09μg，Design6鑄件的卷氣最差，Design3與Design5的卷氣情況最好。但考慮到填充性能，選擇填充性能最好（光滑性數(shù)值最小）的Design3（低速0.25 m/s）作為壓射低速階段的低速參數(shù)。

圖3：DOE綜合性指標(biāo)曲線

圖4：DOE綜合性指標(biāo)趨勢(shì)圖

圖5：備選方案填充100%的氣壓圖

圖6：備選方案填充100%的卷氣圖

2、最優(yōu)解的驗(yàn)證

通過(guò)8種低速方案試制的缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，選用識(shí)別出的最優(yōu)解即Design3壓射低速階段的低速0.25 m/s作為鑄造工藝參數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到的鑄件品質(zhì)良好，總報(bào)廢率為3%，見(jiàn)圖7及圖8缺陷記錄表。選用其余的低速方案得到的鑄件，在預(yù)鑄油道孔A與B的管壁有不同程度的氣孔缺陷，見(jiàn)圖9。

圖7：試制的實(shí)物與X光圖

圖8：缺陷記錄表

圖9：試制缺陷X光圖

三、結(jié)語(yǔ)

在高壓壓鑄中，采用MAGMASOFT軟件的DOE優(yōu)化功能對(duì)鑄件進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)澆注系統(tǒng)方案、多組工藝參數(shù)同時(shí)模擬填充成型。軟件根據(jù)優(yōu)化的條件自動(dòng)組合生成多個(gè)模擬方案，通過(guò)模擬結(jié)果的分析對(duì)比，篩選出滿足優(yōu)化目標(biāo)的方案。

作者：黃志垣 陳國(guó)恩 安肇勇
廣東鴻圖科技股份有限公司

來(lái)源《特種鑄造及有色合金》雜志社