圖1: 平衡軸孔處的截面

低壓鑄造技術(shù)具有工藝出品率高，充型平穩(wěn)，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)汽車鑄件精密化、薄壁化、輕量化和節(jié)能化的重要措施。低壓鑄造首先是將干燥的壓縮空氣壓入密封坩堝內(nèi)的液面上，使金屬液在氣體壓力的作用下沿升液管自下而上地上升，充滿升液盆，再通過(guò)澆口和澆道平穩(wěn)地充滿鑄型，并在壓力下凝固。然后釋放液面上的氣體壓力，使?jié)部凇⑸号韬蜕汗苤袥](méi)有凝固的金屬液靠自重流回到坩堝中，再將鑄型打開(kāi)，取出鑄件。

我廠生產(chǎn)的某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體采用A356鑄造鋁合金，外形尺寸約430mm×360mm×330mm，最小壁4mm，采用低壓鑄造成型。因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄厚不均，在凝固過(guò)程中易存在熱節(jié)，而縮孔和縮松通常發(fā)生在鑄件的熱節(jié)處。試生產(chǎn)的過(guò)程中，為了確定熱節(jié)位置及大小，判定縮松產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，更快地解決問(wèn)題，我們采用MAGMASOFT®進(jìn)行模擬計(jì)算。MAGMASOFT®是一款商業(yè)化的鑄造模擬軟件，因?yàn)槠淠M的準(zhǔn)確性，所以廣泛應(yīng)用于重力鑄造、低壓鑄造、高壓鑄造等領(lǐng)域，是進(jìn)行缺陷模擬、工藝優(yōu)化的有力工具。

圖2：縮松的X射線照片

圖3：縮松的MAGMA模擬結(jié)果

缺陷描述

缸體鑄件的平衡軸孔處的截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)用X光做全身探傷檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有些鑄件在平衡軸孔的側(cè)上方有小的縮松（如圖2），通過(guò)MAGMASOFT®做數(shù)值模擬，可以看到此處有產(chǎn)生縮松的傾向（如圖3），模擬結(jié)果和使用虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)DoE(Design of Experiment)優(yōu)化參數(shù)。

使用虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)DoE(Design of Experiment) 優(yōu)化參數(shù)

解決縮松問(wèn)題，通常從減小缺陷位置的熱節(jié)大小或者加強(qiáng)熱節(jié)周邊對(duì)它的補(bǔ)縮兩方面考慮。基于MAGMASOFT®已經(jīng)可以模擬出這個(gè)缺陷，那么我們通過(guò)不同參數(shù)組合后，對(duì)比模擬結(jié)果，就可以比較出更優(yōu)化的方案。

通過(guò)分析鑄件結(jié)構(gòu)和模具內(nèi)加熱和冷卻系統(tǒng)的分布，對(duì)鋁液的溫度，側(cè)模加熱的溫度，底模加熱的溫度，側(cè)模冷卻開(kāi)啟時(shí)機(jī)，底模冷卻的開(kāi)啟時(shí)機(jī)等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)DoE(Design of Experiment)，共生成了72組模擬方案。將所有的72組模擬方案排序：可以看到第36組的參數(shù)組合所產(chǎn)生的縮松體積最小（如圖4）。

圖4：模擬方案排序

從DoE的相關(guān)矩陣圖（圖5）可以看出：

（1）提高鋁液溫度，會(huì)使縮松減小，且在可調(diào)范圍內(nèi)影響較大。
（2）提高側(cè)模加熱溫度，會(huì)使縮松變大，但是影響不大。
（3）提高底模加熱溫度，會(huì)使縮松減小，但是影響不大。
（4）將側(cè)模冷卻開(kāi)啟時(shí)間延后冷卻時(shí)長(zhǎng)縮短，熱節(jié)附近冷卻效果會(huì)減弱，使porosity變大，且在可調(diào)范圍內(nèi)影響較大，反之，加強(qiáng)冷卻，可以使porosity變小。

將底模冷卻開(kāi)啟時(shí)間延后，冷卻時(shí)長(zhǎng)縮短，充型的鋁液在經(jīng)過(guò)底模時(shí)溫降較小，補(bǔ)縮能力更強(qiáng)，會(huì)使縮松減小，但是影響不大。

圖5：相關(guān)矩陣圖

基于上述結(jié)果及分析，我們將參數(shù)調(diào)整的重點(diǎn)放在鋁液溫度和加強(qiáng)側(cè)模中間的冷卻上。通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，并且綜合了不同參數(shù)下的力學(xué)性能，我們確定澆注溫度730℃，側(cè)模冷卻從鋁液上升到澆口處立即開(kāi)啟，冷卻200s的方案。經(jīng)過(guò)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，將該縮松導(dǎo)致的報(bào)廢在原基礎(chǔ)上減少約50%。

應(yīng)用MAGMASOFT®的幾何體交換功能輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由鑄件凝固過(guò)程的液相分?jǐn)?shù)結(jié)果可以看出，縮松區(qū)域在凝固過(guò)程中會(huì)形成孤立的液相區(qū)，從側(cè)上部對(duì)該部位補(bǔ)縮的通道比較狹長(zhǎng)，從下部澆口到該部位的補(bǔ)縮通道會(huì)較短，但是因?yàn)橥ǖ廓M窄導(dǎo)致凝固后期補(bǔ)縮中斷。如果能拓寬從澆口到孤立液相區(qū)的通道，那么充分利用低壓鑄造時(shí)液態(tài)金屬在壓力作用下可自下而上地補(bǔ)縮鑄件的條件，可以減小甚至避免缺陷產(chǎn)生。

由于平衡軸孔后續(xù)會(huì)進(jìn)行加工考慮把此處的砂芯尺寸變小，增加鑄件的厚度。使用MAGMASOFT®的幾何體交換功能，模擬如圖7所示的方案A。將平衡軸孔處的砂芯，沿水平的直徑方向向右側(cè)去除5mm、10mm和15mm。從模擬結(jié)果看，隨著補(bǔ)縮通道的加寬，縮松變小直至消除，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)周邊其他可能被影響到的區(qū)域有任何新的缺陷產(chǎn)生。證明了這個(gè)思路是正確的。但是這個(gè)方案在粗加工時(shí)會(huì)引起刀具受力不均，可能會(huì)對(duì)刀具造成損傷。于是又模擬了方案B， 將平衡軸孔處的砂芯直徑整體進(jìn)行調(diào)整。分別模擬從36.5mm減小到32mm，28mm，24mm，20mm的充型凝固過(guò)程。從模擬結(jié)果可以看出，隨著平衡軸孔直徑的縮小，補(bǔ)縮通道越來(lái)越寬，縮松越來(lái)越小。到20mm時(shí)縮松已經(jīng)完全消除。

圖6：凝固后期的液相分?jǐn)?shù)結(jié)果

在生產(chǎn)驗(yàn)證時(shí)，考慮適當(dāng)減少后續(xù)的加工量，砂芯強(qiáng)度等因素，并且觀察到當(dāng)直徑改為28mm時(shí)，模擬出的縮松體積減小到原體積的約1/3，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)極有可能沒(méi)有缺陷或者缺陷符合標(biāo)準(zhǔn)要求。于是先測(cè)試了直徑變?yōu)?8mm的方案，并且相應(yīng)地調(diào)整粗加工的程序，把增厚的材料加工掉。經(jīng)過(guò)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，并100%檢查，所有測(cè)試件都無(wú)此缺陷。

圖7：平衡軸砂芯優(yōu)化方案A

圖8：平衡軸砂芯優(yōu)化方案B

結(jié)論

（1）通過(guò)MAGMASOFT®的DoE，可以在眾多變量組合中，迅速找到最佳方案， 最大的影響因素，為參數(shù)調(diào)整提供正確的方向。
（2）通過(guò)幾何體交換功能，可以依次模擬不同鑄件結(jié)構(gòu)的凝固過(guò)程從而確定最有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)孤立液相區(qū)補(bǔ)縮的結(jié)構(gòu)，減少了更改芯盒或模具的成本。
（3）MAGMASOFT®可以有效地融合鑄造工作者的經(jīng)驗(yàn)， 能及時(shí)、合理而又經(jīng)濟(jì)地提供解決方案，為企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和增加效益，提供了有力支持。

本文來(lái)自：邁格碼