原標(biāo)題：復(fù)雜薄壁汽車車門壓鑄過程數(shù)值模擬及缺陷預(yù)測(cè)

摘要

為解決高壓壓鑄鋁合金大型復(fù)雜薄壁汽車車門壓鑄過程中氣孔和縮孔等問題，運(yùn)用SuperCAST智鑄超云CAE云計(jì)算平臺(tái)對(duì)其高壓鑄造過程流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)鑄件內(nèi)部缺陷分布，并進(jìn)行工藝優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：采用兩段速慢壓射工藝方案A和B分別出現(xiàn)充填時(shí)間長(zhǎng)和溫度分布不均等情況，而方案C采用勻加速慢壓射工藝，其充填時(shí)間和溫度的均勻性均較合理。凝固模擬分析發(fā)現(xiàn)，隨著增壓壓力的提高顯著減少了方案C的縮松縮孔含量，90 MPa時(shí)完全消除缺陷。綜合來(lái)看，方案C表現(xiàn)優(yōu)于方案A，因其不存在料管卷氣現(xiàn)象，且充填溫度更均勻，整體缺陷控制效果更好。優(yōu)化的壓鑄生產(chǎn)工藝為方案C，其低速壓射采用勻加速壓射工藝，最高臨界速度為1.23 m/s，高速速度為4.6 m/s，起高速位置為900 mm，增壓壓力為90 MPa，現(xiàn)場(chǎng)壓鑄試驗(yàn)驗(yàn)證了該壓射工藝的可行性。

汽車零部件輕量化主要發(fā)展趨勢(shì)包括結(jié)構(gòu)減重和材料減重。鋁合金因其具有較高比強(qiáng)度、耐腐蝕和易于回收等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，尤其是汽車零部件領(lǐng)域。由于其近凈成形和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，壓鑄成為鋁合金零件的主要制造工藝。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金一體化壓鑄不僅可以鋁代鋼實(shí)現(xiàn)材料輕量化，還可最大限度集成多個(gè)零件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，在保證車身強(qiáng)度的前提下，顯著降低車身重量以提升能源利用效率，逐漸成為新能源汽車壓鑄件的重要發(fā)展方向之一。

自特斯拉首次將一體化壓鑄技術(shù)應(yīng)用于Model Y后地板總成研制，鋁合金一體化壓鑄技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于后地板、前機(jī)艙和電池托盤等新能源汽車大中型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件中。但集成化形成的產(chǎn)品形狀復(fù)雜、尺寸過大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致壓鑄成形工藝復(fù)雜、質(zhì)量難控制，極易產(chǎn)生冷隔流痕，應(yīng)力變形等鑄造缺陷，限制了該技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用。汽車車門作為典型一體化壓鑄件，不僅其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主體壁厚較薄、局部區(qū)域存在厚度不均結(jié)構(gòu)特征，且要求在鑄態(tài)條件下達(dá)到所需的力學(xué)性能和外觀要求，成形條件苛刻，對(duì)其壓鑄工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)質(zhì)量控制均提出較高要求。卷氣缺陷和結(jié)晶組織粗大是壓鑄工藝中最常見的產(chǎn)品缺陷，其形成演變主要與壓鑄充型及凝固冷卻過程密切相關(guān)，因此研究壓鑄中的充型及冷卻過程并預(yù)測(cè)鑄件缺陷，對(duì)于優(yōu)化工藝提升鑄件品質(zhì)具有重要意義。

本文以汽車車門為分析對(duì)象，基于SuperCAST智鑄超云壓鑄CAE云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行壓鑄工藝模擬仿真，研究不同壓射速度和增壓壓力對(duì)充型溫度、凝固溫度和熱節(jié)等影響，分析縮松縮孔等缺陷產(chǎn)生條件，并對(duì)壓鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而有效降低壓鑄缺陷的產(chǎn)生，提高鑄件品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，為該類鑄件的壓鑄生產(chǎn)提供參考。

1 壓鑄模擬過程的數(shù)學(xué)模型

在本研究中，以汽車車門為研究對(duì)象，通過多物理場(chǎng)耦合方法對(duì)壓鑄過程進(jìn)行了仿真模擬。首先，在充型過程中，液態(tài)金屬在高壓下注入模具內(nèi)部，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)卷氣缺陷問題，采用格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）來(lái)描述金屬的流動(dòng)特性：

LBM基礎(chǔ)為L(zhǎng)attice-Bhatnagar-Gross-Krook（LBGK）方法。LBM基本模型如下所示：

式中：i為第i離散速度方向，x為空間位置坐標(biāo)，ci為第i離散速度分量，t為當(dāng)前時(shí)刻，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。fi（x+ciΔt，t+Δt）為x+ciΔt位置，t+Δt時(shí)刻密度分布函數(shù)，fi（x，t）為x位置，t時(shí)刻密度分布函數(shù)，Ωi（x，t）為碰撞項(xiàng)。

經(jīng)過LBGK近似后得到：

平衡分布函數(shù)定義為：

式中：ωi為第i離散速度方向上密度權(quán)重，ρ為流體的密度，u為當(dāng)前位置時(shí)刻的流體速度，cs為格子聲速，τ為松弛時(shí)間。

宏觀場(chǎng)密度由下式給出：

宏觀場(chǎng)速度由下式給出：

結(jié)合VOF（Volume of Fluid）方法捕捉液-氣界面變化：

式中：F為液體的占據(jù)比例（0為無(wú)液體，1為全液體）。

以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)液態(tài)金屬的流動(dòng)行為。緊接著，在充型完成后，鑄件進(jìn)入凝固階段，此時(shí)冷卻速率和熱節(jié)分布直接影響內(nèi)部質(zhì)量。為此，通過能量方程來(lái)模擬凝固過程中的溫度場(chǎng)變化：

式中：ρCp為比熱容，T為溫度，k為導(dǎo)熱系數(shù)，Q為熱源項(xiàng)。

同時(shí)，采用Stefan方程表征固液界面的移動(dòng)：

式中：L為潛熱，s為固液界面位置，kL和ks分別為液相和固相的熱導(dǎo)率。

并通過固液相分?jǐn)?shù)模型計(jì)算金屬在不同溫度下的固液比例：

式中：fs為固相分?jǐn)?shù)，T為當(dāng)前溫度，TL為液相線溫度，Ts為固相線溫度。

進(jìn)一步分析不同區(qū)域的凝固進(jìn)程以及更精確地描述鑄件與模具之間的熱傳導(dǎo)行為，本文采用了4D界面換熱模型，通過引入動(dòng)態(tài)換熱系數(shù)h（t，x，y，z）：

其中，f（t）為換熱系數(shù)隨時(shí)間的變化，g（x，y，z）描述換熱系數(shù)的空間變化。

采用4D界面換熱模型，仿真時(shí)需要對(duì)換熱系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行數(shù)值離散處理。其中鑄件與模具之間的熱傳導(dǎo)方程為：

式中：T模具為模具隨時(shí)間變化溫度，T鑄件為鑄件隨時(shí)間變化溫度。

在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中，動(dòng)態(tài)更新?lián)Q熱系數(shù)h（t，x，y，z），并求解鑄件和模具間的溫度分布。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整換熱系數(shù)，以模擬鑄件和模具在充型和凝固過程中的熱交換行為。

2 壓鑄零件及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 壓鑄零件

該鑄件是為某汽車公司研發(fā)設(shè)計(jì)的汽車車門，三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑄件材質(zhì)為AlSi10MnMg鋁合金，模具材質(zhì)為H13鋼，本文通過Thermo-Calc 軟件計(jì)算了兩種材質(zhì)的熱物性參數(shù)，如表1所示。鑄件外形輪廓尺寸為1 135 mm×665 mm×60 mm，幾何形狀復(fù)雜、壁厚不均勻，主要壁厚為2.5 mm，最大壁厚為4 mm，質(zhì)量為5.56 kg。

圖1 汽車車門的三維幾何模型示意圖

表1 鑄件和模具所涉及材料的熱物性參數(shù)

2.2 澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將汽車車門視為異型薄壁殼體零件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)澆口設(shè)置在鑄件中間部位，為減輕金屬液高速充型產(chǎn)生氣體包卷及沖擊型芯，且保證讓金屬液盡可能同時(shí)達(dá)到鑄件末端，內(nèi)澆口采用米字環(huán)形進(jìn)澆方式。同時(shí)，為避免在澆口位置產(chǎn)生噴射，將內(nèi)澆口的厚度設(shè)置為與產(chǎn)品澆口位置壁厚相等，澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 汽車車門的澆注排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2.3 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于壓鑄模具而言，溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于控制模具的升溫和冷卻，使得內(nèi)部熱量能夠達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，提高模具使用壽命，保證鑄件品質(zhì)。在汽車車門模具中分別設(shè)置了水路、真空溫控和空油缸集油座的溫控措施，可以使鑄件實(shí)現(xiàn)更高效而且均衡的溫度控制。壓鑄模具的溫控系統(tǒng)分布情況見圖3。

圖3 汽車車門壓鑄模具的溫控系

3 汽車車門壓鑄CAE分析

3.1 CAE 初始條件及邊界條件設(shè)置

壓鑄合金和模具材料的牌號(hào)和熱物性參數(shù)如表1所示。壓鑄工藝參數(shù)如表2所示，其中換熱模型為4D界面換熱模型，模型參數(shù)及取值分別為：擬合參數(shù)γ¹h 為8.92，γ²h 為28.33，ε為1.45，β¹h為-1.82，β²h為-5.32，材料牽引固相分?jǐn)?shù)為0.7，換熱系數(shù)-凝固狀態(tài)擬合參數(shù)為1.05，換熱系數(shù)峰值匹配系數(shù)為2.5，最小換熱系數(shù)匹配系數(shù)為0.15，臨界模具表面溫度為275℃，臨界固相分?jǐn)?shù)為0.8，模具間的傳熱系數(shù)為3000W/（㎡·K）。鑄件型腔網(wǎng)格最小尺寸為0.65mm，網(wǎng)格總數(shù)量為1.9億，網(wǎng)格剖分圖如圖4所示，其中黃色邊框區(qū)域?yàn)殍T件型腔網(wǎng)格。

表2 主要壓鑄工藝參數(shù)

圖4 汽車車門的網(wǎng)格劃分

合理的慢壓射工藝和增壓壓力可提高鑄件質(zhì)量和優(yōu)化生產(chǎn)效率，為此研究不同壓射工藝對(duì)汽車車門的影響具有重大意義。壓射過程中低速速度分別設(shè)置為0.2 m/s（近兩段速）、0.5 m/s（近兩段速）、1.23 m/s（勻加速），高速速度為4.6 m/s，具體壓射工藝曲線如圖5所示。另外，增壓壓力分別設(shè)置為40 MPa、60 MPa、80 MPa和90 MPa。

圖5 三種不同的壓射工藝曲線示意圖

3.2 不同慢壓射工藝對(duì)料管內(nèi)熔體流動(dòng)狀態(tài)的影響

采用SuperCAST智鑄超云分別模擬了三種不同慢壓射工藝（A 0.2~4.6 m/s、B 0.5~4.6 m/s、C 1.23~4.6 m/s）條件下料管內(nèi)金屬液流動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果如圖6所示。方案A鋁液料管充填過程中運(yùn)動(dòng)呈波浪狀，鋁液出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象，極易形成卷入性缺陷。同時(shí)，方案A鋁液在料管中留置時(shí)間較長(zhǎng)且充填過程中金屬液體出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)，易導(dǎo)致鋁液熱量損失較多，并易使空氣進(jìn)入金屬液體。方案B鋁液在料管充填過程中金屬液體出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)，容易使空氣和氧化夾雜裹卷入金屬液體。方案C鋁液在料管充填過程中界面前沿始終保持前傾狀態(tài)、波面運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)金屬液不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而有效避免了將料管氣體卷入鋁液。綜上所述，方案A和B出現(xiàn)回流或翻滾現(xiàn)象易發(fā)生卷氣，同時(shí)金屬液溫度出現(xiàn)充填溫度較低和不均勻現(xiàn)象。方案C在料管中的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)不易發(fā)生卷氣且金屬液溫度均勻。

圖6 熔體在料管填充過程中溫度分布

3.3 不同壓射工藝對(duì)充填時(shí)間的影響

分別模擬了三種不同壓射工藝（A 0.2~4.6 m/s、B0.5~4.6 m/s、C 1.23~4.6 m/s）對(duì)充填時(shí)間的影響。如圖7所示，充填時(shí)間分布按照充填順序可依次劃分成藍(lán)色、深藍(lán)色、紅色和黃色四個(gè)部分。方案A和B藍(lán)色區(qū)域主要包括澆口以及鑄件近澆口處，深藍(lán)色域主要包括近澆口處兩側(cè)的薄壁處，紅色區(qū)域主要包括鑄件四個(gè)角區(qū)域，黃色區(qū)域大部分位于鑄件的溢流槽中和鑄件上側(cè)中間部位，小部分位于鑄件下側(cè)中間部位。方案C藍(lán)色和深藍(lán)色區(qū)域主要包括壓室及澆口處，紅色區(qū)域主要包括鑄件四個(gè)角區(qū)域，黃色區(qū)域大部分位于鑄件的溢流槽中和鑄件上側(cè)中間部位。整體而言，方案A~C充填順序都遵循由近及遠(yuǎn)的規(guī)律，其中高速充填時(shí)間均約為0.04s，低速充填時(shí)間分別為4.14s，2.00s，2.94s，整個(gè)充型過程分布總用時(shí)分別為4.18s，2.04s，2.99s。方案A和B鋁液局部充填時(shí)間梯度相差較大，易導(dǎo)致充型質(zhì)量較差。而方案C在整個(gè)充型過程中，遠(yuǎn)澆口處的鋁液較近澆口處時(shí)間梯度略有較低，但充填時(shí)間梯度較小，整體分布合理。

圖7 汽車車門充型時(shí)間分布圖

3.4 不同壓射速度對(duì)充填溫度的影響

分別模擬了三種不同壓射速度（A 0.2~4.6 m/s、B0.5~4.6 m/s、C 1.23~4.6 m/s）對(duì)充填溫度的影響，結(jié)果如圖8所示。方案A熔體充填過程中澆口充填溫度均勻，但料管到內(nèi)澆口溫度下降較快，對(duì)金屬流動(dòng)性有一定影響。充型完后發(fā)現(xiàn)熔體整體溫度偏低，且鑄件上半部位出現(xiàn)局部溫度梯度較大。方案B充填溫度并不均勻，明顯右下角的澆口溫度下降較快。充型完后發(fā)現(xiàn)熔體整體溫度趨于一致且溫度大部分為640 ℃左右，熔體雖然能夠順利填充遠(yuǎn)端，易導(dǎo)致過熱或冷卻時(shí)間過長(zhǎng)。方案C在澆口的充填溫度均勻，料管到內(nèi)澆口的溫度梯度較小，金屬流動(dòng)性較好。

圖8 汽車車門充型溫度場(chǎng)分布圖

整體而言，方案A充填溫度均勻且金屬流動(dòng)性較好，但溫度下降較快。方案B充填溫度并不均勻，充型完后熔體溫度趨于一致且溫度大部分為640 ℃左右，同時(shí)易導(dǎo)致過熱或冷卻時(shí)間過長(zhǎng)。方案C充填溫度均勻且金屬流動(dòng)性較好。

3.5 不同增壓壓力對(duì)縮松縮孔的影響研究

對(duì)方案C在不同增壓壓力40 MPa、60 MPa、80 MPa和90 MPa條件下凝固縮孔進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9所示。當(dāng)增壓壓力為40 MPa時(shí)，縮松縮孔主要分布在近澆口四周，且縮松縮孔缺陷較多；當(dāng)增壓壓力為60 MPa時(shí)，縮松縮孔分布基本上只有上下兩側(cè)；當(dāng)壓力提升到80 MPa時(shí)，縮松縮孔分布在近澆口處和上下側(cè)各一處；當(dāng)壓力提升到90 MPa時(shí)，無(wú)縮松縮孔。通過缺陷尺寸圖9（a）至圖9（d）發(fā)現(xiàn)，A點(diǎn)缺陷在40 MPa、60 MPa、80 MPa和90 MPa時(shí)，尺寸分別為199.1 mm3、154.06 mm3、104.63 mm3和0，說(shuō)明隨著增壓壓力增大該點(diǎn)缺陷呈減小趨勢(shì)直至被補(bǔ)縮。其中選取了鑄件上三個(gè)位置點(diǎn)A、B和C，其縮孔缺陷尺寸大小隨增壓壓力變化趨勢(shì)如圖10所示。

圖9 方案C鑄件縮松縮孔分布圖

圖10 方案C鑄件不同位置點(diǎn)縮松縮孔的尺寸隨增壓壓力的變化趨勢(shì)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用力勁6 800 T壓鑄機(jī)進(jìn)行汽車車門壓鑄試驗(yàn)驗(yàn)證。壓鑄工藝方案采用方案C，即采用勻加速壓射工藝，從0加速至臨界慢速速度1.23 m/s，高速速度為4.6 m/s，起高速位置為900 mm，增壓壓力為90MPa。經(jīng)過機(jī)械加工去除澆道和集渣包等工藝系統(tǒng)后，車門鑄件凈重為5.56 kg。鑄件表面輪廓清晰，無(wú)裂紋、飛邊和冷隔等缺陷，質(zhì)量?jī)?yōu)良。車門鑄件的X射線探傷檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，鑄件內(nèi)部無(wú)明顯氣孔和縮孔缺陷，驗(yàn)證了優(yōu)化方案能夠滿足生產(chǎn)要求。

圖11 汽車車門鑄件的X射線檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）對(duì)不同慢壓射工藝方案進(jìn)行模擬仿真和對(duì)比分析，結(jié)果表明：方案A金屬液在料管內(nèi)形成明顯氣體包卷，且充填時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致填充末端金屬液溫度較低，易產(chǎn)生冷隔流痕等缺陷；方案B因沖頭速度過高，金屬液在料管內(nèi)發(fā)生翻滾，極易導(dǎo)致氣體和氧化夾雜卷入熔體；方案C采用勻加速壓射工藝，其充填時(shí)間和溫度分布更加均勻合理。

（2）汽車車門凝固模擬分析發(fā)現(xiàn)：隨著增壓壓力的提高，方案C的縮孔得到控制，縮孔體積顯著降低，90 MPa時(shí)縮孔缺陷完全消除。

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證采用工藝方案C：勻加速慢壓射，從0加速至臨界慢速速度1.23 m/s，高速速度為4.6m/s，起高速位置為900 mm，增壓壓力為90 MPa。結(jié)果表明：試驗(yàn)鑄件外形輪廓清晰、尺寸精度高、X射線檢測(cè)區(qū)域無(wú)明顯縮孔缺陷。

作者

劉寶林 康進(jìn)武
清華大學(xué)材料學(xué)院，先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

廖銘煜 姚佳宏 張偉
北京適創(chuàng)科技有限公司

安肇勇 萬(wàn)里
廣東鴻圖科技股份有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：鑄造雜志