摘要：以AM60B鎂合金輪轂為例，研究了壓射速度、鑄型溫度和澆注溫度對壓鑄件缺陷的影響。通過計算由虛擬實驗得到的缺陷體積的信噪比，求解了不同因素在不同水平下的信噪比的均值和極差，進而獲得優(yōu)化的壓鑄工藝。經(jīng)大批量化生產(chǎn)優(yōu)化，得出的最優(yōu)壓鑄工藝參數(shù)為：壓射速度為0.9 m/s，鑄型溫度為260 ℃，澆注溫度為680 ℃。

鎂合金壓鑄生產(chǎn)企業(yè)最大的追求，就是高效率。高品質(zhì)和高效率是企業(yè)生存的根本，是參與市場競爭的主要手段，本論文基于穩(wěn)健設(shè)計 [1] 和大批量生產(chǎn)相結(jié)合的方式，對鎂合金輪轂壓鑄進行批量化生產(chǎn)工藝研究，獲得了高效高品質(zhì)壓鑄件生產(chǎn)最佳工藝參數(shù)，對大尺寸鎂合金壓鑄件大批量生產(chǎn)具有較大的參考價值，拓寬了鎂合金應(yīng)用范圍，具有較好的應(yīng)用前景。具體做法為：首先利用穩(wěn)健設(shè)計方法對壓鑄件缺陷體積進行計算，利用計算結(jié)果設(shè)計壓鑄件生產(chǎn)預(yù)成形工藝，然后通過CAE仿真對工藝參數(shù)進行調(diào)整，并對仿真結(jié)果進行分析，以滿足壓鑄件的質(zhì)量要求。在實際生產(chǎn)中，由于存在操作誤差、測量誤差等不可控因素，影響壓鑄件的成形質(zhì)量，使壓鑄成形工藝設(shè)計方案對產(chǎn)品的成形質(zhì)量穩(wěn)定性降低，如何制定出最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，成為獲得高效高品質(zhì)壓鑄件的關(guān)鍵。

1、穩(wěn)健設(shè)計方法

穩(wěn)健設(shè)計（Robust Design）是一種綜合考慮產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本的新型低成本、高穩(wěn)定性的現(xiàn)代設(shè)計方法。其基本思想是在不消除或減少不確定性因素的情況下，通過設(shè)計盡量減少不確定性因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，即通過接近目標值但波動小的設(shè)計解，設(shè)計工藝方案，來實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量對噪聲因素的穩(wěn)定性。穩(wěn)健設(shè)計方法最先是由田口玄一于20世紀70年代后期提出的，是一種基于實驗的優(yōu)化方法。考慮的因素包括兩類：可控的設(shè)計參數(shù)和不可控的噪聲因素。穩(wěn)健設(shè)計方法包括兩個基本工具：信噪比和正交試驗。信噪比也稱SN比，在參數(shù)設(shè)計中，利用信噪比來模擬噪聲因素對質(zhì)量特性的影響。正交試驗設(shè)計主要采用正交試驗表的規(guī)格設(shè)計適當?shù)脑囼灧桨福_定參數(shù)的最優(yōu)組合。這些組合具有“均勻分散性、整潔性和可比性”的特點。這樣，少量的試驗就可以滿足考察的要求，大大提高了試驗效率。

目前，穩(wěn)健設(shè)計方法已在化工、電子、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了重大進展。但在材料成形過程中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，在影響因素與產(chǎn)品質(zhì)量之間建立簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系是很困難的。而穩(wěn)健設(shè)計所需的測試條件實現(xiàn)成本過高，造成穩(wěn)健設(shè)計方法在材料成形中的應(yīng)用受到限制。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的成熟，對模擬結(jié)果進行小范圍的試驗，成本較低，穩(wěn)健設(shè)計方法在材料成形中的應(yīng)用將越來越有價值。

2、穩(wěn)健設(shè)計方法在鎂合金壓鑄成形中的應(yīng)用

以AM60B鎂合金輪轂為例，以壓鑄件缺陷（圖1）的體積為測試目標，以實際壓鑄過程中可能出現(xiàn)的工藝參數(shù)誤差為噪聲因子，進行信噪比分析，獲得最佳工藝參數(shù)組合。

圖1 鑄件縮孔縮松缺陷形貌

2.1 零件三維 CAD 模型的建立

采用Pro/Engineer WildFire5.0軟件進行鎂合金輪轂零件的實體建模，如圖2所示。輪轂鑄件凈重1.49 kg，最大直徑460 mm，最大壁厚5.8 mm，最薄壁厚3.45 mm，材質(zhì)為AM60B鎂合金，具有較好的鑄造性能。其化學(xué)成分見表1。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)設(shè)計的要點，壓鑄件澆注系統(tǒng)采用直流道中心澆注，無分流道設(shè)計。圖1為鑄件縮孔縮松缺陷形貌。

表1 AM60B化學(xué)成分 wB/%

圖2 鎂合金摩托車輪轂三維造型

2.2 虛擬正交試驗的制定與安排

影響壓鑄件品質(zhì)的因素很多，本論文從影響缺陷體積大小的主要工藝參數(shù)角度，確定了正交試驗因素為壓射為0.396 9 cm 3 。也就是說，當消除了所有外部條件的干擾時，第1組工藝參數(shù)的組合非常適合工業(yè)生產(chǎn)。然而，在實際生產(chǎn)過程中，不可避免地存在一些不可控因素，使得實際壓鑄工藝參數(shù)總是圍繞理論值波動。在干擾因素的影響下，信噪比能較好地反映壓鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性。可以保證的缺陷體積不一定是最小的，但其波動幅度應(yīng)是最小的。虛擬正交試驗結(jié)果表明，第9組壓鑄工藝參數(shù)的信噪比最高，為7.974 3 dB。在第9組試驗中，壓鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性最好。在干擾因素的影響下，第9組工藝參數(shù)生產(chǎn)的壓鑄件與第1組工藝參數(shù)速度V、鑄型溫度T 1 和澆注溫度T 2 。查閱了壓鑄工藝參數(shù)的選擇范圍，得到鎂合金冷室壓鑄的壓射速度范圍為0.5~1 m/s，鑄型溫度范圍為240~260 ℃，澆注溫度范圍為650~710 ℃。考慮到在實際生產(chǎn)中，壓力波動和溫
度控制誤差會引起上述工藝參數(shù)的波動，將波動引起的誤差視為噪聲因素。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的經(jīng)驗，速度波動范圍在（+10%）左右，溫度波動范圍在（+10 ℃）左右。每個噪聲因子具有三個級別，如表2所示。

表2 工藝參數(shù)與噪聲因子級別

2.3 穩(wěn)健性評定及結(jié)果分析

2.3.1　壓鑄件網(wǎng)格劃分

三維模型以標準接口輸出STP格式。輸出文件通過GEOMESH進行優(yōu)化，然后導(dǎo)入到ProCAST軟件中。采用MeshCAST網(wǎng)格劃分模快對三維造型進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格盡可能均勻，單元數(shù)量適當。三維造型網(wǎng)格劃分后，節(jié)點數(shù)為110 553個，單元總數(shù)為562 513個。根據(jù)流動連續(xù)性原理，充填速度的三個水平值對應(yīng)的壓射速度分別為0.5 m/s、0.7 m/s和0.9 m/s。在ProCAST模塊中，模具的邊界條件選擇為空氣冷卻，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)定為5 000 W/（m 2 ·K）。

2.3.2 虛擬正交試驗結(jié)果分析

觀察壓鑄件的充填和凝固過程。計算虛擬試驗中壓鑄件的缺陷的體積。由于所得缺陷體積越小越好。根據(jù)所期望的信噪比函數(shù)“望小特性”，將實驗結(jié)果轉(zhuǎn)換為信噪比SN，分別計入各組實驗中。信噪比（SN）是產(chǎn)品穩(wěn)定性的一個重要指標。信噪比越大，產(chǎn)品的穩(wěn)定性越好。在虛擬正交試驗中，計算壓鑄件在沒有噪聲和有噪聲的情況下的缺陷體積最小值和最大值，以及在噪聲因子影響下的信噪比的值（表3）。

表3 虛擬工藝參數(shù)正交試驗結(jié)果

從表3可以看出，在上述9組試驗中，在沒有干擾因素的影響下，第1組壓鑄工藝參數(shù)的缺陷體積最小，相比質(zhì)量更穩(wěn)定。

信噪比的值對應(yīng)于各因素的水平。通過計算各級各因子的信噪比均值，進一步獲得了信噪比因子水平的極差值。可以預(yù)測出針對試驗?zāi)繕隧憫?yīng)的測試因子的最佳組合，即一套保證了產(chǎn)品質(zhì)量的最穩(wěn)定壓鑄工藝參數(shù)。同時，極差值的大小表示了相應(yīng)因素的影響大小，極差值較大，表明該因素較活躍，其變化對結(jié)果影響也很大；極差值較小，其變化對結(jié)果影響也很小。該算法簡單、直觀，易于使用。在表4列出了信噪比均值和不同級別因素的極值的對比結(jié)果。

從表4可以看出，極差值最大對應(yīng)的是鑄型溫度，最小對應(yīng)的是澆注溫度，因此，試驗因素的順序是鑄型溫度、壓射速度和澆注溫度。表4中各因素的平均信噪比用圖3表示，可以更直觀地解釋工藝參數(shù)對缺陷的影響。從圖3可以看出，當壓鑄工藝參數(shù)的組合為A1B3C1時，信噪比最大，即壓鑄件的質(zhì)量穩(wěn)健性最好。此時，壓射速度為0.9 m/s，鑄型溫度為260 ℃，澆注溫度為680 ℃，與上述9組試驗中第9組工藝參數(shù)正好吻合。若上述9組試驗中沒有優(yōu)化得到的工藝參數(shù)組合，需要重新模擬和驗證。

圖3 工藝參數(shù)不同對應(yīng)的信噪比值

表4 信噪比均值與極差

當工藝參數(shù)為A1B3C1時，采用ProCAST軟件進行數(shù)值模擬，得到不考慮噪聲的缺陷體積（0.398 3 cm 3 ）。當受噪聲因素影響時，缺陷的最大體積為0.436 1 cm 3 ，最小體積為0.319 9 cm 3 ，信噪比為8.211 4 dB，雖然比正交試驗表中任何一組試驗結(jié)果都大了一些，但也是信噪比值最大的，結(jié)果是一致的。

3、生產(chǎn)驗證

通過ProCAST軟件模擬結(jié)合穩(wěn)健設(shè)計方法對壓鑄工藝參數(shù)進行優(yōu)化下，得到的最佳壓鑄工藝參數(shù)為：壓射速度為0.9 m/s，鑄型溫度為260 ℃，澆注溫度為680 ℃。根據(jù)該工藝參數(shù)對鎂合金輪轂鑄件進行的大批量生產(chǎn)驗證，在實際生產(chǎn)中，壓鑄工藝參數(shù)分別取壓射速度為0.7~1.3 m/s，鑄型溫度為200~300 ℃，澆注溫度為650~710 ℃，結(jié)合生產(chǎn)效率需要，保壓時間設(shè)定為20 s。利用抗拉強度、伸長率、硬度和沖擊韌性四個力學(xué)性能指標進行表征，生產(chǎn)實踐表明，當壓射速度為0.8~1.0 m/s、澆注溫度為670~690 ℃、鑄型溫度為250~270 ℃時，鑄件的生產(chǎn)效率最高，力學(xué)性能最好，即品質(zhì)最好。在最佳工藝參數(shù)下得到的輪轂鑄件（圖4），從圖4a可以看出，鎂合金輪轂壓鑄件充型完整，外觀無缺陷，經(jīng)機加工后的輪轂表面光滑，加工成產(chǎn)品后對表面進行涂裝（圖4b、4c），外觀質(zhì)量美觀。最后對鎂合金輪轂鑄件進行力學(xué)性能檢測結(jié)果為：抗拉強度為227 MPa、布氏硬度為HBS71、伸長率為10.7%和抗沖擊韌性為18.7×10 4 J/m 2 ，以上力學(xué)性能表明，該輪轂鑄件達到了輪轂技術(shù)標準要求，輪轂鑄件內(nèi)部無嚴重缺陷，鑄件經(jīng)過大批量生產(chǎn)后，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，表明上述模擬結(jié)果準確。

圖4 壓鑄鎂合金摩托車輪轂鑄件及最后涂裝圖

4、結(jié)論

（1）在不考慮干擾因素的情況下，第1組工藝參數(shù)的缺陷體積最小，其信噪比相對較小，但不能保證壓鑄件質(zhì)量最穩(wěn)定。當鎂合金輪轂的壓射速度為0.9 m/s、鑄型溫度為260 ℃、澆注溫度為680 ℃時，壓鑄件的質(zhì)量穩(wěn)健性最好，同時也證明了穩(wěn)健設(shè)計方法在壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化中具有可行性和指導(dǎo)性。

（2）通過計算信噪比的平均值，分析各因素的影響范圍，得出各因素對產(chǎn)品穩(wěn)健性的影響程度。影響壓鑄件缺陷體積穩(wěn)定性的最主要因素是鑄型溫度，其次是壓射速度，澆注溫度對縮松缺陷穩(wěn)定性的影響最小。

作者：

張占領(lǐng)
鄭州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院
張艷琴
鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院 計算機與人工智能學(xué)院
郭懷宮
北京金輝國際投資有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷