基于ProCAST仿真軟件的支架仿真分析及工藝優化

韓鵬飛 徐滕崗 朱建軍

摘 要：為得到高質量鑄件，針對汽車底盤支架壁厚不均、結構復雜等特點，使用UG對底盤支架進行三維建模并使用ProCAST模擬鑄造軟件對底盤支架進行高壓鑄造充型及凝固過程數值模擬，有效預測壓鑄過程中出現的縮松縮孔問題位置。通過正交試驗與ProCAST模擬軟件得出A1Si12Cu1（Fe）鋁合金底盤支架壓鑄工藝方案為：澆注溫度680℃，模具初始溫度220℃，慢壓射速度0.4m/s，快壓射速度5.5m/s。通過壓鑄件生產實驗及X-ray探傷檢測發現，優化工藝參數后可明顯提高鑄件質量。

關鍵詞：ProCAST;數值模擬;高壓鑄造;仿真分析;工藝優化

DOI：10. 11907/rjdk. 191761 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0132-04

0 引言

高壓鑄造因具有生產效率高、鑄件尺寸精度高、可以生產復雜薄壁零件等特點而被廣泛應用于汽車零部件制作過程中[1-3]。金屬液充填型腔速度高，流態不穩定、結構復雜的鑄件易產生氣孔、縮孔、縮松等問題[4];底盤支架是連接汽車底盤與車身的重要零部件，有較高的力學性能要求并且不允許有夾渣、縮松、縮孔等鑄造缺陷出現，以上缺陷將嚴重影響支架使用壽命。傳統工藝方案多采用人工試模方式，此方式將消耗大量人力財力，無法滿足企業發展需求。

近年來，隨著計算機技術和CAD/CAM/CAE技術的發展，鑄造過程模擬成為可能，這對降低成本、提高鑄造企業競爭力具有重要作用[5-7]。挪威工業科學研究院Cato Dorum等[8]利用仿真軟件對U型板鑄造過程進行了模擬，通過分析鑄造過程中出現的鑄造缺陷，提出了合理解決辦法;哈爾濱理工大學劉洋等[9]運用Magmasoft仿真軟件結合正交試驗對壓鑄成型過程進行仿真分析，并對相關工藝參數進行優化，研究表明Magmasoft仿真軟件可以較準確地預測缺陷類型及位置。ProCAST是利用有限元模擬技術進行計算機鑄造模擬的仿真系統，是目前唯一一個不需要其它軟件輔助，可以獨自完成整個鑄造過程的熱—流動—應力分析的鑄造模擬軟件[10]。

本文利用UG與ProCAST軟件對底盤支架的壓鑄充型及凝固過程進行模擬仿真，并以鑄件充型時間與孔隙率為判斷依據，建立正交試驗方案，尋找最優工藝參數，以提高鑄件質量，滿足鑄件使用要求。

1 數值模擬理論與模擬計算基礎方程

在鑄件充型過程數值模擬中，將液態金屬看作不可壓縮流體，其流動過程服從連續性方程、能量守恒原理、對流熱交換方程等[11-12]。

2 底盤支架壓鑄模擬前處理

2.1 支架模型建立及網格劃分

該支架模型結構復雜，多孔隙，最大壁厚為23.4mm，最小壁厚為4mm，整體外廓尺寸為320mm×182.48mm×394.48mm。使用UG軟件對鑄件進行三維實體建模，并設計鑄件的澆道、溢流槽、排氣槽等，如圖1所示。采用三股內澆口進料，設置在支架壁厚較大處，可有效降低填充金屬溶液阻力，保證充型平穩，壓力充分作用，并具有一定的補縮作用[13-14]。溢流槽與排氣槽設置在距澆口最遠處（金屬液最后充填位置），方便氣體排除，并在支架中間位置設置渣包收集冷料。

將建立的支架模型轉存為*.igs文件格式導入ProCAST-mesh模塊進行面網格與體網格劃分，網格單元大小取1，得到體網格單元個數為4 182 475。

2.2 工藝參數設置

鑄件材料選擇鋁合金Alsi12Cu1（Fe），該材料屬性如圖2所示。固相線/液相線溫度為540℃/570℃。添加虛擬模具且模具材料選擇H13鋼，鑄件與模具間界面換熱系數常取1 000～2 000 W/（m2℃），本仿真分析中模具與鑄件間的界面換熱系數為2 000W/（m2℃）[15]，環境溫度為20℃。

3 模擬仿真及結果分析

模擬充型過程中不同時刻的金屬液填充率及溫度分布如圖3所示。由圖3（a-b）可知金屬液進入橫澆道，并在橫澆道中產生堆積，至充滿橫澆道，金屬溶液到達內澆口時開始快速充型，金屬液自下而上至平穩充型完成，充型過程中無渦流、飛濺等現象。整個充型過程耗時0.23 s，金屬液在充型過程中溫度無劇烈變化，且均在液相線之上，因此充型過程中不會出現局部凝固現象，降低了冷隔缺陷產生幾率[15]。圖3（e）為鑄件凝固時間順序圖，可知離澆口最遠處凝固時間最短，鑄件壁厚較厚處凝固時間較長，壁厚較大處產生熱節，周圍金屬形成獨立液相區，使其無法得到補縮，該位置易出現縮松縮孔缺陷。如圖3（f）所示，為預測鑄件縮松縮孔缺陷出現位置，孔隙率為1.12%，從圖中可以看出縮松縮孔多出現在壁厚較大處，與由凝固時間推測出的缺陷位置大致相同。根據經驗，采用孔隙率為1%作為判據，當孔隙率大于1%時，鑄件可能存在宏觀縮孔，判定鑄件質量不合格;當鑄件孔隙率小于1%時，鑄件可能出現微觀縮孔，接近于0，可判斷鑄件質量合格。

根據鑄件充型、凝固模擬結果可知，初始工藝方案慢壓射速度過高，整體充型過程平穩，但在凝固過程中產生縮松縮孔缺陷。針對高壓鑄造過程中的縮松縮孔缺陷，可以通過降低金屬溶液澆注溫度、壓射速度，提高模具初始溫度，改善鑄件結構，使鑄件壁厚均勻等措施加以控制[17-19]。

4 正交試驗設計及仿真驗證

4.1 正交試驗設計

選取工藝參數：澆注溫度、模具初始溫度、慢壓射速度、快壓射速度。進行四因素三水平正交試驗，以鑄件模擬的孔隙率及充型時間為評定指標，以確定最優工藝方案。據此建立正交試驗因素水平表及試驗方案[20]，如表2所示。

表2分析結果顯示，鑄件充型時間主要受慢壓射速度與快壓射速度影響，其中慢壓射速度影響作用更顯著。澆注溫度對孔隙率的影響最為顯著，其次為模具初始溫度，再者是快壓射速度，最后是慢壓射速度，對孔隙率影響最小。因此，由正交表可以得出最優參數方案為：澆注溫度680℃，模具初始溫度220℃，慢壓射速度0.4m/s，快壓射速度5.5m/s。圖4為最優參數方案的模擬仿真結果，可以看出孔隙率為0.77%，且縮松縮孔主要出現在集渣包中，滿足支架鑄件要求。

4.2 仿真驗證及樣件試制

根據仿真模擬結果應用得到的最優工藝方案，采用布勒530T-18壓鑄機進行鑄件的樣件試制。試制樣件表面無明顯缺陷，支架樣件如圖5（a）所示。進一步對支架樣件進行X-ray探傷實驗，如圖5（b）可由探傷結果得知關鍵位置鑄件內部無縮松縮孔等明顯缺陷，樣件質量合格，滿足鑄件要求。

5 結語

通過ProCAST仿真模擬與正交試驗分析可知，金屬液澆注時間主要受慢壓射速度影響。澆注溫度對支架鑄件縮松縮孔缺陷有更為顯著的影響，模具初始溫度次之。最終確定底盤支架鑄件壓鑄的合理工藝方案為：澆注溫度680℃，模具預熱溫度220℃，慢壓射速度0.4m/s，快壓射速度5.5m/s。在最優方案確定后，通過鑄件樣件試制及X-Ray探傷，得知試制鑄件無明顯缺陷，進一步確定了工藝方案的合理性。

限于正交試驗因素水平范圍選擇較小，最為理想的工藝參數可能并未落在所選水平范圍內。若擴大因素水平范圍，增加試驗量，并在得到的試驗數據基礎上結合BP神經網絡訓練便可找出最理想的鑄造工藝參數，以優化鑄件質量。

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（責任編輯：孫 娟）