原标题：基于Flow-3D的低压铸造铝合金后副车架工艺设计及优化

后副车架是汽车底盘结构中的重要组成部分，位于车辆后部，支撑着悬挂系统、传动系统以及车身，用于阻隔振动和噪声进入车厢，对汽车的稳定性、操纵性和行驶平顺性有着重要的作用。后副车架多是薄壁结构，这种结构在生产上有着成形难度大、缺陷数量多等问题。另一方面，为了达到汽车轻量化的目标，越来越多的汽车制造厂商开始使用轻量化材料来代替传统钢材。低压铸造充型过程平稳，还可通过内浇道对金属液未结晶部分进行补缩。结合铝合金密度小、力学性能良好和抗腐蚀性能佳等特点，可生产出组织致密，力学性能好的铝合金铸件。

得益于铸造CAE技术的发展，生产及时间成本在一定程度上得到了降低，生产效率得以提高。研究者也通过借助铸造CAE软件来对低压铸造铝合金铸件的铸造过程及工艺优化进行研究。研究者借助ProCAST软件研究了不同内浇道数量和不同的内浇道形式对小型薄壁件成形质量的影响，并优化了低压铸造铝合金后副车架的浇注系统，提高了铸件的成形质量；通过单一变量法分析了不同含量的Sr、Mg和Ti对AlSi7Mg0.3铝合金的力学性能的影响，得到了最优合金组分，提高了低压铸造铝合金副车架的力学性能。利用Flow-3D对薄壁件低压铸造中的充型和凝固过程进行研究，得到了相关工艺参数对充型、凝固过程的影响，并对工艺参数进行优化，减少了铸件内部缺陷。目前，铝合金后副车架这类大型薄壁件在低压铸造工艺上仍有优化空间。因此，本研究以汽车后副车架作为对象，通过ProCAST对其低压铸造工艺方案进行数值模拟，并根据模拟结果优化工艺方案，以消除铸件缺陷、提高铸件力学性能。

图文结果

后副车架的结构见图1。该后副车架质量为16.88 kg，三维轮廓尺寸为1 156 mm×873 mm×306 mm。该铸件为大型薄壁铸件，结构复杂，在铸件内部和外侧分布有较多的加强筋和肋板，不易成型，而且容易在加强筋、肋板与外壁交接处（以下简称“板筋交接处”）产生缩松缩孔缺陷。铸件中加强筋及肋板的平均厚度为4 mm，4个圆环状的车身安装点厚度为11.7 mm，其余部分的厚度为3 mm。铸件材质为A356铝合金，其是一种常用的铸造Al-Si合金，通常被用来制造汽车中重要的零部件，主要化学成分见表1。
采用底注式低压铸造，内浇道设置在铸件正面上平均分布。内浇道截面积通常情况下采用“热节圆法”计算，利用下式进行核算，然后在模拟和实际生产中进行修正。内浇道、横浇道和直浇道之间的截面积比例关系取ΣA内∶ΣA横∶ΣA直=1.0:1.7:2.3。计算得到的内浇道截面总面积为106.87 cm2，由此得到横浇道总截面积为181.68 cm2，直浇道总截面积为245.8 cm2。根据上述的截面尺寸设计的浇注系统见图2。

图1 铝合金后副车架示意图

表1 A356铝合金主要化学成分(%)

图2 后副车架低压铸造浇注系统

低压铸造过程中涉及的工艺参数主要有升液时间、升液压力、充型时间、充型压力、增压时间、增压压力、保压时间、保压压力，浇注温度和模具温度等。结合研究对象和相关的生产经验，初始方案所用的工艺参数见表2。此外，金属液温度为720 ℃，金属液与砂芯之间的传热系数为1 500 W/（m2·K）；金属液与铸型之间的传热系数为2 000 W/（m2·K）；铸型与砂芯之间的传热系数为1 000 W/（m2·K）。模具的材质为H13钢，模具温度为350 ℃，室温为20 ℃，冷却方式为自然风冷。

铸件的充型过程及其温度场变化见图3。从图3a可知，在10.22 s时，金属液出现了飞溅现象（见图中圆圈处），此时的金属液流动不平稳，可能会导致气孔等缺陷；从图3b中可知，在11.96 s时，出现了紊流现象，可能会导致卷气、夹渣等缺陷，见图中圆圈处。在12.03 s时，铸件充型结束，而预计的充型时间结束时间为12.9 s。所以，模拟的充型时间要短于预计时间。结合充型过程中出现的飞溅、紊流现象，可以判断出充型过程中设置的压力过大。充型过程中的温度变化较为稳定，没有出现提前凝固的现象。但是，在充型完成时，4个车身安装点处的温度要高于其他部位，该部位因其厚度较大，在冷却凝固过程中易形成孤立液相区。铸件的凝固过程及其固相率变化见图4。可以看出，铸件凝固顺序基本上符合自上而下的凝固顺序，在81.56 s时铸件凝固完成。铸件的缺陷及二次枝晶臂间距（SDAS）模拟结果见图5。

表2 初始方案工艺参数

图3 充型过程及其温度场变化

图4 凝固过程及其固相率变化

图5 铸件缺陷及模拟结果

根据模拟结果，可以得知在初始方案中存在以下问题：①充型速度较快，在充型过程中存在飞溅、紊流现象；②铸件中厚度较大的部位，如车身安装点、板筋交接处易产生缩松缩孔缺陷；③4个车身安装点处的二次枝晶臂间距较大，力学性能低于其他部位。
针对以上问题，将从浇注系统、冷却系统和工艺参数3方面进行优化。

初始方案中的铸件缩松缩孔缺陷可以按分布位置和处理方式划分成5种类型，见图6。其中，类型1是车身安装点处的缺陷；类型2是铸件外侧肋板处的缺陷；类型3和类型5都是板筋交接处的缺陷，不同处在于对这两处的处理方式有别；类型4是铸件前端中空部位处的缺陷。
针对类型1和类型2处的缺陷，可以通过孔洞填补并略微加厚，形成一定的加工余量，使热节集中在这些加工余量中，从而使缩松缩孔缺陷集中于此。当铸件铸造完成后，只需对加厚的部位进行机加工消除即可。考虑到类型1和类型2处的缺陷体积，类型1只填补中间一段厚度，类型2则全部填补并加厚。类型1和类型2处的加工余量见图7。

图6 初始方案铸件缩松缩孔分布

图7 铸件的加工余量

针对类型3~5处的缺陷，可以通过在产生缺陷的位置附近设置内浇道补缩或者添加冷却系统来消除。对于类型3处的缺陷，将原浇注系统中4个角以外的内浇道都拆分成两个，以此来对周围的缺陷进行补缩。类型4处的结构为中空薄壁结构，所以可以在该处添加侧注式内浇道来进行补缩。而类型5处的缺陷所在位置结构较为复杂，内浇道不易布置，所以选择在那些部位附近添加冷却管来消除缺陷。优化后的浇注系统见图8。

图8 优化后的浇注系统

为了消除铸件中的部分缺陷以及提高铸件的力学性能，设计的冷却系统见图9。冷却方式采用水冷，其中的管路2，5和11是用于消除铸件缺陷，其余管理是为了减小车身安装点处的二次枝晶臂间距并提高该处的力学性能。冷却水管的直径可根据铸件结构和缺陷体积的大小进行设置，并根据冷却效果来调整冷却水的温度和流量。冷却水管的开启和闭合时间则是根据需要布置冷却水管处的温度变化设置的。测温点和温度曲线见图10。其中的点1、点3和点5是需要布置冷却水管的位置，点2、点4和点6是其对照测温点，见图10a。测温点的温度曲线见图10b。

从图10b可以看出，点1在24 s时温度开始高于点2，在65 s之后的冷却速率开始接近；点3在15 s时的温度开始与点4出现差别，在50 s之后的冷却速率开始接近；点5在18 s时的温度开始大于点6，在33 s后的冷却速率开始接近。冷却水管的开启时间一般早于温度出现差异的时间，闭合时间一般早于冷却速率保持一致的时间。根据图10设置的冷却水管的开闭时间及其他参数见表3。

图9 冷却系统

图10 测温点分布及其温度曲线

表3 冷却系统工艺参数

由初始方案的模拟结果可知，金属液在充型过程中出现飞溅和紊流现象，以及充型过程时间要短于预期时间。这是因为充型压力设置过大，导致了充型速度过快，所以在后续模拟中适当地减小充型压力。另外，铸件在81.56 s凝固完成，保压时间可相应缩短。此外，由于浇注系统进行了重新设计，所以相关的工艺参数也要进行优化调整。优化后的工艺参数见表4。

表4 优化后的工艺参数

优化后的铸件充型过程及其温度场变化见图11。由图11a可知，在10.43 s时，侧注式内浇道充型的部位已经基本上完成充型，其余部位则刚开始充型，并未出现金属液飞溅现象；由图11b可知，金属液充型过程中较为平稳，无紊流产生；由图11c可知，在14.18 s时，铸件充型完成，预计充型完成时间为14.22 s，模拟时间基本上符合设置的充型时间。

优化后的铸件凝固过程及其固相率变化见图12。可以看出，在添加冷却系统之后，车身安装点处的凝固速率较之前有所提高。在25.68 s时，车身安装点上端的固相率为40%，明显高于下端部分，见图12a；在37.71 s时，车身安装点上端的固相率已经达到80%，但是由于中间部分添加了加工余量，该处的厚度较大，冷却速率要低于其他部位，固相率也要低于其他部位，见图12b。

优化后铸件缩松缩孔分布见图13。可以看出，较小体积的缺陷已经被消除，较大的缺陷都集中在加工余量中，后续对加工余量进行机加工去除即可。优化后铸件的二次枝晶臂间距分布的模拟结果见图14。

图11 优化后充型过程及其温度场变化

图12 优化后凝固过程及其固相率变化

图13 优化后铸件缩松缩孔分布

图14 优化后二次枝晶臂间距分布

以优化后的方案进行生产试制，并对容易产生缺陷的位置进行采样。后副车架实物及采样的金相组织见图15。可以看出，采样处的金相组织均匀、晶粒细小，且大部分区域中无明显黑点，无明显缩松、缩孔缺陷。对图15a中的3处采样部位中各取两个试样进行力学性能测试，测试结果见表5。该铝合金后副车架的力学性能技术要求抗拉强度≥300 MPa，屈服强度≥245 MPa，伸长率≥8.2%，硬度（HBW）≥90。从表5中可以看出无论是各组单独的数值还是平均水平均满足力学性能技术要求。结合图15和表5的结果，可证明优化方案的可行性。

图15 后副车架实物及金相组织图

表5 铝合金后副车架力学性能测试结果

结论

（1）根据铝合金后副车架的结构特点，设计了低压铸造工艺方案，并对其进行数值模拟。模拟结果显示该铝合金后副车架铸件的缩松、缩孔缺陷主要集中在车身安装点、加强筋和肋板与外壁交接处。同时，模拟结果还显示车身安装点处的冷却速率小于其他部位，该处的力学性能也差于其他部位。

（2）通过分析初始方案中的不足，改进了浇注系统，设计了冷却系统并优化了工艺参数。对优化方案进行数值模拟，结果显示铸件中的缩松缩孔缺陷被完全消除，力学性能也有所提高。对优化方案进行试制生产，生产出的铸件符合使用要求，验证了该方案的可行性。

（3）采用的添加加工余量使缺陷集中的方法，虽然消除了铸件中的缺陷，但是车身安装点处由于厚度增加，冷却速率较之前有所下降。尽管添加的冷却系统改善了该处的冷却情况，并提高了其力学性能，但是该处的冷却速率和力学性能仍然不如其他部位。

《低压铸造铝合金后副车架工艺设计及优化》

张弓 苏小平

南京工业大学机械与动力工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社