原標題：電動汽車鋁合金副車架低壓鑄造凝固質量優化研究

摘 要：針對電動汽車副車架低壓鑄造零件結構緊湊、壁厚不均勻和螺旋砂芯形狀復雜、砂芯體積占比大等原因造成的低壓鑄造內部孤立液相、熱節和疏松等缺陷，運用AnyCasting軟件模擬分析副車架低壓鑄造的溫度、壓力和模具結構等因素對凝固結晶質量的影響；通過組合缺陷和概率缺陷預測功能進行綜合性的數值模擬，預測鑄件孤立液相、熱節和疏松發生情況。研究AnyCasting在低壓鑄造模具冷卻的智能控制方法，探究如何運用冷卻水管開閉時序調整鋁合金冷卻凝固順序，提高副車架鑄件內部組織成形致密度及低壓鑄造生產質量。

前 言：為了適應電動汽車輕量化和鑄件一體化發展趨勢，許多車企的新能源電動汽車副車架采用鋁合金整體低壓鑄造。一體化低壓鑄造成形的副車架結構更簡單，副車架自身質量的減輕還能夠增強整車的承載性能，在提高汽車的操縱穩定性方面具有重要的意義。圖1所示為某電動汽車后副車架零件和低壓鑄造模具圖，采用A356鋁合金材料低壓鑄造一體化成形，在保證了副車架鋁合金內部結晶組織致密度要求的同時，還能滿足小型電動汽車載重指標和耐高溫性能要求，提高了整車的輕量化水平。但與此同時，副車架一體化的緊湊結構使低壓鑄造的砂芯形狀、澆注系統和模具結構更加復雜，為鋁合金液體的充型過程和順序凝固結晶增加了許多干擾因素，使預設的自上而下的結晶凝固順序發生變化，鑄件容易發生局部孤立液相、疏松和縮孔等缺陷。為了確保副車架鑄件內部結晶組織成形的致密度，達到其高強度和耐高溫的工作性能要求，實踐中運用AnyCasting模擬軟件的組合缺陷預測功能進行綜合性的數值模擬，預測鑄件孤立液相、疏松和縮孔發生情況，調整規劃模具冷卻水管分布和開閉時序控制鋁合金冷卻凝固順序等，提升低壓鑄造質量水平和生產能力，具體從以下幾方面進行研究。

圖1 鋁合金副車架零件和模具結構圖

1、模具結構設計方案和缺陷分析

電動汽車副車架形狀結構復雜，在汽車行駛過程中承受長時間負載工作，因此對內部組織致密度要求更高，需要在確定工藝方案之前進行精細的模擬比較分析，保證預設的低壓鑄造凝固順序正常實現。隨著計算機軟硬件技術的快速發展及在制造業的廣泛應用，AnyCasting軟件的智能化低壓鑄造模擬的功能不斷豐富強大。運用AnyCasting等智能數值模擬手段能夠進行合理的模具設計和準確的工藝方案設計，從而達到更高的產品合格率。

1.1 模具結構和澆注系統設計方案

圖1所示的副車架外形尺寸為1 050 mm×762 mm×365 mm，壁厚為4~8 mm，質量為25.6 kg，采用A356高強度鋁合金低壓鑄造工藝成形。副車架鋁合金鑄件結構緊湊復雜，內部由體積較大的整體砂芯形成，模具分成上模、下模和側模三個開模方向，模具各部分組件均使用SKD61耐熱模具鋼材料制成，如圖2所示。其主要的外形部分設計在上模形成，下模主要分布著澆注系統并用于放置砂芯定位，合模前整體砂芯須按照固定的方向和位置要求在型腔內安裝好。副車架低壓鑄造金屬液充型是典型的底注式，通過外加壓力和自上而下的凝固順序使鑄件內部形成較為致密的結晶組織。鋁合金液體在低壓鑄造氣壓作用下經升液管進入澆注系統后再進入型腔，預設的低壓鑄造順序凝固方案為遠離澆道的位置和上部先凝固，接近澆道的位置以及下部最后凝固。

圖2 副車架低壓鑄造澆注系統設計

由于副車架零件結構特點是下部重量占比重較大，而且向多個方向發散延伸，通過外加壓力補縮對零件頂部的補縮效果不明顯，因此需要在副車架低壓鑄造澆注系統設置多個分散的冒口加強補縮和同時排氣。同時樹脂砂芯厚度形狀變化多，體積較大，砂芯發氣量較大，因此在多處增加冒口加強補縮和排氣。

1.?2 副車架低壓鑄造缺陷情況分析

由于電動汽車副車架零件結構特點是頂部質量比重較少，底部向多個方向發散延伸，因此通過低壓鑄造外部施加的液面壓力補縮對零件頂部的補縮效果難以奏效。加上整體砂芯參與充型過程中與鋁液的熱傳導及氣體生成情況復雜，因此容易在鑄件內部產生多處散布的孤立液相和熱節，使預設的自上而下的凝固順序難以實現。同時金屬液必須全面包裹砂芯在其中才能完成充填凝固，這又使得反應生成的氣體難以排除，增加了卷氣和夾渣的缺陷發生趨勢。具體的缺陷情況如表1所示。

表1 副車架低壓鑄造缺陷情況表

1.3 充型過程工藝設置和孤立液相的模擬

電動汽車副車架低壓鑄造的生產使用HDTD-800型數字化液面壓力控制的低壓鑄造機，按照充型、增壓、保壓和減壓四個工藝階段設置了如表2所示的工藝參數。

表2 副車架低壓鑄造工藝參數設置表

AnyCasting數值模擬過程按照上述參數進行，通過模擬傳感器檢查特定位置的速度、壓力、溫度值。提前預判副車架充型、熱傳導和凝固過程情況，并由傳感器的反饋生成缺陷預測云圖和數值變化圖表，如圖3所示。將副車架零件、砂芯和模具各組件的材料種類及物理參數輸入AnyCasting，對充型結晶過程的溫度傳導、充型速度、充型壓力和凝固順序等進行模擬分析。其中產品凝固完成時間150 s，澆注系統凝固完成時間412 s。

圖3 溫度傳導、充型速度、充型壓力和凝固順序模擬

低壓鑄造金屬液充型中砂芯在型腔中所占的體積越大，則金屬液與砂芯之間的熱傳導作用也越強烈，砂芯吸收削弱的鋁液熱量和壓力也越多。通過模具設計軟件可以直接得到砂芯在型腔中所占的體積比為36%，即在副車架上模型腔空間中砂芯就占了36%；這使得充型時金屬液必須將大量的熱能分配傳遞給砂芯，溫度梯度由此而迅速擴大。造成熱節位置增多，凝固過程中產生孤立液相區，引起縮孔、疏松的傾向也隨之增大。充型過程的不同時間段，孤立液相區的預測分析如圖4所示。

圖4 不同充型階段孤立液相缺陷預測

此外，樹脂砂芯與鋁液反應生成的氣體，與金屬液激蕩混合形成紊流，由此產生卷氣和夾渣等，凝固后則容易產生氣孔和冷隔等缺陷。由于形成缺陷的原因較多，所以需要通過如圖5所示的AnyCasting組合缺陷和概率缺陷預測功能進行綜合性的數值模擬，預測鑄件孤立液相、熱節和疏松發生情況。并使用反向云圖觀察充型時金屬液封閉區域，以便于規劃采取質量改進措施實現預設的凝固順序。

（a）缺陷概率預測參數設置 （b）組合缺陷預測參數設置
圖5 AnyCasting組合缺陷和概率缺陷預測功能

2、基于數值模擬的副車架凝固質量優化措施

針對電動汽車副車架形狀低壓鑄造的孤立液相、疏松和縮孔等缺陷問題，運用AnyCasting軟件進行副車架低壓鑄造充型數值模擬分析時，重點分析充型過程凝固順序偏差形成的孤立液相分布區域，鑄件壁厚不均勻產生的熱節，以及砂芯發氣量較大位置產生的卷氣等。

為后續通過規劃設計模具冷卻水道分布和局部鑲件位置選擇等優化措施提供依據，并運用AnyCasting在低壓鑄造模具冷卻中的流量智能控制方法，精確計算冷卻水管的流量，合理規劃鑄件各部位的冷卻時序控制方法，實現副車架低壓鑄造預設的凝固順序。

2.1 模具冷卻回路設計及開閉時序控制

由于電動汽車副車架零件形狀結構特點，造成了外加壓力對零件頂部的補縮效果難以有效，且內部成形的樹脂砂芯厚度形狀變化多，容易在鑄件內部產生多處散布的孤立液相和熱節，使預設的自上而下的凝固順序難以實現。AnyCasting的智能冷卻方案可以調整低壓鑄造模具局部的冷卻先后次序，控制鑄件不同部位的凝固順序。由于副車架大部分成形位置集中于上模型腔內，因此上模的冷卻方案對于實現副車架預設的冷卻結晶凝固順序尤為重要。AnyCasting數值模擬設計中采用了式（1）進行精確的計算：

式中：H為水頭差（m），壓力1 kg相當于水頭差10 m；L為水管長度（m）；S為管道比阻（可根據管道材料種類查表獲?。?。

經過AnyCasting冷卻水路、通水量和水路開關時間等模擬輔助設計，并綜合考慮管道沿程壓頭損失，上、下模冷卻回路設計如圖6所示。

（a）上模冷卻回路設計 （b）下模冷卻回路設計
圖6 上模、下模冷卻回路設計

針對上型腔中13處容易產生分散局部孤立液相的位置，上、下模共設計了3組冷卻回路，共6個水冷回路進行循環冷卻。同時運用AnyCasting的管道輔助設計功能，對冷卻回路的介質選擇、開關時序、溫度和流量控制等進行了精細化的設計，具體內容如表3所示。

表3 上模、下模冷卻時序控制表

為了實現理想的副車架低壓鑄造由遠至近和自上而下的凝固順序，上、下模的冷卻回路在鋁液進入型腔后逐步開啟，并依照預定的順序依次進行冷卻至鑄件凝固結束。其中冷卻系統補縮能力最強的區域應設置在下模，為了更好地發揮連接下模的升液管和澆注系統的后續熱量補縮作用，實現預設的凝固順序，下模的冷卻循環水路啟動時間應適當延遲，同時通過模溫機對冷卻水的時間和流量進行時序控制，等待上模鋁合金基本完成凝固結晶后，再對澆注系統進行冷卻，從而實現預設的低壓鑄造自上而下的凝固順序。

2.2 副車架低壓鑄造冷卻時序控制的應用

在低壓鑄造機控制面板上通過選擇輸入框用來選擇各冷卻通道的冷卻控制方式，有時間控制和溫度控制方式兩種可選，時間控制方式按照輸入的等待時間和打開時間來控制各冷卻通道的開閉。溫度控制方式是通過檢測模具的實際溫度與設定的溫度對比，當模具溫度高于設定溫度時，打開冷卻通道，當模具溫度低于設定溫度時，關閉冷卻通道。圖7所示為HDTD-800低壓鑄造機模具壓力和冷卻溫度控制監控操作面板圖。

圖7 低壓鑄造機冷卻控制設置及監控

根據副車架的結構特點，左右側模各選擇4個傳感器的測點用來進行模具溫度檢測控制，測點實際溫度高于此值時冷卻通道才打開，低于此值時關閉。同時需要配合合理的循環水壓力和流量值，取得最佳模具冷卻效果，控制副車架鑄件凝固結晶的順序。

3 結論

通過運用AnyCasting軟件對副車架低壓鑄造澆注系統和工藝參數的設計優化實踐過程，以及運用數字化控制的低壓鑄造機冷卻溫度監控操作功能，調整冷卻水管開閉時序，實現充型凝固順序的質量改進，證明可采用模溫機的時序控制冷卻回路開閉方法以保證鑄件凝固結晶順序，以及配合冒口、冷卻鑲件和澆注系統的輔助補縮作用，實現預設的由遠至近和自上而下的凝固順序。除上述工藝優化措施外，還需注意強化樹脂砂芯的烘干工藝質量控制，盡量減少充型時樹脂砂芯與高溫鋁合金液體接觸所產生的氣體量。具體生產中還需要通過CAE智能模擬和生產實踐的不斷應用總結，才能產生更成熟和系列化的工藝技術，并覆蓋副車架的不同種類，滿足新能源電動汽車副車架的大批量生產需要。

作者
韓偉 李冬冬 陳曉斌
廣州城市理工學院機械工程學院
楊安
貴州藍輝新材料有限公司
本文來自：《鑄造》雜志