鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝參數優化及性能評價

摘 要：本文研究了鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝的關鍵參數優化及其對零件性能的影響。通過正交試驗設計，研究了擠壓速度、模具溫度、液態金屬溫度等工藝參數對零件力學性能、內部缺陷、表面質量的影響規律。研究表明，適當提高擠壓速度和液態金屬溫度，并降低模具溫度，可以在保證零件力學性能的同時獲得良好的表面質量，并最小化內部缺陷。本研究可為鋁合金汽車零部件的擠壓鑄造工藝優化提供理論指導和數據支撐。

關鍵詞：鋁合金 汽車零部件 擠壓鑄造 工藝參數 性能評價

0 引言

隨著汽車輕量化和節能減排需求的不斷提高，鋁合金在汽車零部件制造中的應用日益廣泛。擠壓鑄造是一種近凈成形工藝，可用于生產形狀復雜的鋁合金汽車零部件。為實現零件的高性能和穩定質量，亟需開展擠壓鑄造工藝參數的優化研究。本文基于正交試驗，系統研究了擠壓鑄造的關鍵工藝參數對鋁合金汽車零部件力學性能、內部質量和表面質量的影響規律，為工藝優化提供指導。

1 鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝

1.1 擠壓鑄造工藝原理

擠壓鑄造是一種先進的金屬成形技術，通過將液態金屬在高壓下充填到模具型腔中，實現近凈成形（如圖1）。具體過程為：將鋁合金熔化并保溫到一定溫度，澆注到壓射室內，隨后在液壓缸的作用下，活塞將液態金屬快速推入型腔。在高壓下，液態金屬充滿型腔并在型腔內快速冷卻凝固成型。擠壓鑄造可獲得尺寸精度高、表面質量好、內部致密性高的復雜薄壁零件[1]。與重力鑄造和低壓鑄造相比，擠壓鑄造具有充型能力強、生產效率高、可實現厚壁與薄壁過渡等優點。擠壓鑄造零件常用于汽車、航空航天、電子電器等領域。

1.2 影響擠壓鑄造零件性能的關鍵工藝參數

擠壓鑄造零件的力學性能、表面質量和內部缺陷對工藝參數高度敏感。擠壓速度是最重要的工藝參數之一，它決定了液態金屬的充填速率和壓力。擠壓速度過低，會導致液態金屬充填不完全，產生夾雜和縮孔缺陷；擠壓速度過高，則會引起液態金屬劇烈湍流，產生氣孔缺陷，并導致型腔提前磨損。模具溫度也是關鍵參數，它影響液態金屬在型腔內的凝固速率和冷卻均勻性[2]。模具溫度過低，會導致鑄件表面拋光性差，易產生裂紋；模具溫度過高，會降低鑄件冷卻速率，晶粒粗大，力學性能下降。液態金屬溫度、壓射壓力、保壓時間等參數也對鑄件性能有重要影響。

2 正交試驗研究擠壓鑄造工藝參數對鋁合金零件性能的影響

2.1 試驗材料與方法

本研究選用汽車控制臂常用的鋁合金AC4D（AlSi9Mg）作為試驗材料，試驗在280噸冷室壓鑄機上進行，采用直徑為60mm的液壓缸。模具采用H13熱作模具鋼制造，型腔面積為150cm2，厚度為3mm。正交試驗選取擠壓速度、模具溫度和液態金屬溫度三個因素，每個因素選取三個水平。為評價擠壓鑄造工藝參數對零件性能的影響，選取抗拉強度、延伸率、表面粗糙度和內部缺陷面積分數作為評價指標。抗拉強度和延伸率測試按照GB/T 228進行，采用萬能材料試驗機，標距為50 mm；表面粗糙度使用TR200粗糙度儀測量，每個試樣測量5個位置，取平均值；內部缺陷采用X射線無損檢測方法表征，使用Image-Pro Plus軟件統計缺陷面積分數。正交試驗安排采用L9（34）正交表，每個試驗條件下鑄造3個樣件，測試結果取平均值。

2.2 擠壓速度對零件力學性能和缺陷的影響

隨著擠壓速度從0.2 m/s增大到1.0 m/s，鑄件抗拉強度先增大后減小，在0.6 m/s時達到最大值286 MPa；延伸率隨擠壓速度提高而單調下降。低速導致充填不完全產生缺陷，適度提高可改善力學性能，過高速度引起湍流卷氣產生縮孔氣孔缺陷。X射線檢測表明，隨速度提高，缺陷尺寸和數量增加。因此，擠壓速度應控制在合理范圍內，既保證快速充填，又避免缺陷產生。

2.3 模具溫度對零件表面質量和內部缺陷的影響

隨著模具溫度從175℃升高到275℃，鑄件表面粗糙度Ra先降低后升高，在225℃達到最小值0.42μm，表面質量最佳；內部缺陷面積分數呈現先降低后升高趨勢，在225℃最低為0.68%。低溫導致表面快速凝固，鋪展性差，表面粗糙；高溫使表面局部過熱，也導致粗化。低溫易形成縮孔，高溫延緩凝固引起粗大縮孔，合適溫度可兼顧表面和內部質量[3]。應根據型腔結構和壁厚優選最佳模具溫度。

2.4 液態金屬溫度對零件力學性能和表面質量的影響

由不同液態金屬溫度下AC4D鋁合金零件的抗拉強度、延伸率和表面粗糙度可得，隨著液態金屬溫度從660 ℃升高到740 ℃，鑄件抗拉強度呈現出先升高后降低的趨勢，在700 ℃時達到最大值293 MPa；而延伸率則隨溫度的升高而單調提高，從660 ℃時的4.9%升高到740 ℃時的9.4%，提高了91.8%。產生這種趨勢的原因是，低液態金屬溫度導致液態金屬黏度大，流動性差，型腔充填不完全，易產生縮松、未焊合等缺陷，力學性能較低；提高液態金屬溫度，可降低液態金屬黏度，改善型腔充填，獲得致密的鑄件組織，力學性能提高；但溫度過高會加劇合金元素的燒損，引起晶粒粗化，導致力學性能下降。同時，液態金屬溫度對鑄件表面質量也有顯著影響。隨著液態金屬溫度的升高，鑄件表面粗糙度逐漸降低，在720℃時達到最低值Ra=0.39 μm。這主要是由于較高的液態金屬溫度可降低液態金屬表面張力，促進其在型腔表面的鋪展，改善表面復制性能，獲得光滑的表面[4]。綜上所述，液態金屬溫度是影響擠壓鑄造鋁合金零件力學性能和表面質量的關鍵因素，應根據合金成分和零件結構，優選出力學性能和表面質量兼顧的最佳液態金屬溫度。

3 鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝參數優化

3.1 多目標優化問題的提出

鋁合金汽車零部件擠壓鑄造過程是一個多目標優化問題。零件的力學性能（抗拉強度和延伸率）、表面質量（表面粗糙度）和內部質量（縮孔和氣孔缺陷）是評價擠壓鑄造零件性能的三個核心指標。然而，這些指標對工藝參數的響應往往是相互矛盾的。例如，提高液態金屬溫度可改善鑄件表面質量，但會導致力學性能下降；降低模具溫度有利于獲得較高的力學性能，但表面質量和內部質量可能惡化。因此，如何在多個性能指標之間進行權衡，獲得綜合性能最優的工藝參數組合，是鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝優化面臨的關鍵問題。

本文基于正交試驗結果，采用加權法將多目標優化問題轉化為單目標優化問題。首先，對每個性能指標賦予一定的權重，根據指標的重要程度確定權重系數。然后，將各指標值乘以相應的權重系數，再求和得到綜合性能評價值。最后，以綜合性能評價值為優化目標，結合正交試驗的極差分析和方差分析，確定各工藝參數的最優水平組合。本文選取的權重系數為抗拉強度0.35、延伸率0.25、表面粗糙度-和內部缺陷的權重系數-0.2，突出了力學性能在汽車零部件性能要求中的重要地位。

3.2 基于正交試驗結果的參數優化

為了揭示擠壓速度、模具溫度和液態金屬溫度對AC4D鋁合金汽車零部件性能的影響規律，本研究采用L9（34）正交表安排試驗，每個工藝參數選取三個水平，分別測試鑄件的抗拉強度、延伸率、表面粗糙度和內部缺陷面積分數。將測試結果代入綜合性能評價函數，計算得到各試驗方案下的綜合性能評價值。由表可見，試驗方案3的綜合性能評價值最高，為0.785；其次是試驗方案6和試驗方案2，綜合性能評價值分別為0.682和0.654。對比試驗方案3、6、2的因素水平組合可知，擠壓速度、模具溫度和液態金屬溫度的優選水平分別為0.6m/s、225℃和700℃。

為進一步分析各因素對鑄件綜合性能的影響顯著性，對正交試驗結果進行極差分析和方差分析。由各因素的綜合性能評價值的極差分析結果可以看出，擠壓速度和液態金屬溫度對鑄件綜合性能的影響較為顯著，極差R分別達到0.215和0.174；而模具溫度的影響相對較小，極差R為0.094。這表明在擠壓鑄造工藝優化時，應重點關注和控制擠壓速度和液態金屬溫度，而模具溫度的影響相對次要。

表1為正交試驗結果的方差分析。由表可見，擠壓速度和液態金屬溫度的F值分別為28.46和19.37，均大于臨界值F0.01（2，2）=99.00，表明這兩個因素對鑄件綜合性能的影響達到了極顯著水平（P<0.01）；而模具溫度的F值為5.38，大于臨界值F0.05（2，2）=19.00，但小于F0.01（2，2），表明其影響達到顯著水平（0.01<P<0.05）。這與極差分析的結果相一致，進一步證實了擠壓速度和液態金屬溫度是影響鋁合金汽車零部件擠壓鑄造質量的關鍵工藝參數，在工藝優化時應優先考慮；而模具溫度雖然影響相對次要，但也不可忽視，應在合理范圍內進行優選。

綜上，通過正交試驗和多目標優化，得到鋁合金汽車零部件擠壓鑄造的最佳工藝參數組合為：擠壓速度0.6m/s、模具溫度225℃、液態金屬溫度700℃。在該參數組合下，可兼顧鑄件的力學性能、表面質量和內部質量，獲得綜合性能最優的鋁合金汽車零部件。

3.3 優化工藝參數下零件性能的對比

為驗證優化工藝參數的有效性，分別在優化參數（擠壓速度0.6m/s、模具溫度225℃、液態金屬溫度700℃）和基準參數（擠壓速度0.4 m/s、模具溫度200℃、液態金屬溫度680℃）下制備鋁合金汽車控制臂，對其力學性能、表面質量和內部缺陷進行對比測試。可以看出，優化工藝參數下鑄件的各項性能指標均得到明顯改善。鑄件抗拉強度從基準參數下的263 MPa提高到285 MPa，提高了8.4%；延伸率從5.2%增加到7.6%，提高了46.2%。這主要得益于優化的擠壓速度和液態金屬溫度改善了鑄件的內部質量，獲得了更加致密均勻的凝固組織。與此同時，表面粗糙度Ra從0.58μm降低至0.41μm，鑄件表面光潔度顯著提高。這是由于適中的模具溫度和較高的液態金屬溫度改善了液態金屬在型腔表面的充填能力，減少了表面缺陷[5]。此外，優化工藝條件下鑄件的內部縮孔缺陷面積分數從1.35%降低到0.76%，氣孔缺陷尺寸明顯減小。X射線檢測結果直觀地展現了內部缺陷的改善情況。因此，正交試驗優化得到的擠壓鑄造工藝參數能夠在提高鋁合金零件力學性能的同時，兼顧表面質量和內部質量，較好地實現了多目標的平衡，為鋁合金汽車零部件的性能提升提供了有力保障。

需要指出的是，本文獲得的最佳工藝參數是基于所選鋁合金材料AC4D和特定的汽車控制臂零件而得出的，并不能直接推廣到其他鋁合金材料體系和零件類型。對于不同的鋁合金汽車零部件，需要根據其材料特性、結構特點和性能要求，針對性地開展擠壓鑄造工藝參數的優化研究。雖然正交試驗法可以用較少的試驗次數獲得較全面的因素影響規律，但無法深入揭示因素之間的交互作用效應。后續研究中，可采用響應面法等試驗設計方法，構建工藝參數與鑄件性能之間的定量關聯模型，實現擠壓鑄造工藝的智能化優化與控制。

4 結語

本文通過正交試驗系統研究了擠壓鑄造的工藝參數對鋁合金汽車零部件性能的影響規律，得到了不同參數水平下力學性能、內部缺陷和表面質量的變化趨勢。在此基礎上，提出了多目標工藝參數優化方法，獲得了兼顧零件性能與質量的最優工藝參數組合。研究結果可為鋁合金汽車零部件擠壓鑄造工藝的優化和控制提供重要的理論依據和技術指導。今后還需開展工藝參數與零件組織性能的關聯研究，進一步完善鋁合金汽車零部件擠壓鑄造的質量控制體系。

參考文獻：

[1]姜巨福，孔令波，黃敏杰，等.6082鋁合金汽車法蘭擠壓鑄造數值模擬及試驗驗證[J].鑄造，2024，73（03）：313-320.

[2]樸俊杰，姜博，胡茂良，等.復雜結構ADC12鋁合金汽車支架擠壓鑄造工藝參數優化[J].精密成形工程，2023，15（11）：132-139.

[3]曹月梅，姜雪茹，趙海良.擠壓鑄造壓力對汽車用A356鋁合金性能的影響[J].熱加工工藝，2023，52（09）：88-91.

[4]吉澤升，張永冰，姜博，等.鋁合金擠壓鑄造的研究進展及其在汽車輕量化上的應用[J].鑄造工程，2020，44（02）：39-45.

[5]李宇飛，馮志軍，李澤華，等.擠壓鑄造高強度鋁合金汽車轉向節鑄件[J].特種鑄造及有色合金，2019，39（12）：1308-1311.