原标题：一体式车体低压铸造工艺方案设计

目前全球汽车行业正由传统汽车行业向新能源汽车、电动汽车发展，汽车的轻量化越来越受到重视。铝合金作为轻量化材料在汽车领域的应用越来越广泛。在铝合金产品生产中，低压铸造技术因其成本低，且操作简单，获得广泛应用。

针对铝合金一体式车体，通过在CATIA建模软件中初步设计浇注系统，并在MagmaSoft软件中进行模拟仿真，根据仿真结果优化浇注系统，以减少缩松、缩孔等缺陷，提高产品质量并进行验证，旨在为相关产品生产提供参考。

图文结果

铝合金一体式车体结构见图1，其轮廓尺寸为632 mm×86 mm×250 mm，材质为A356合金。铸件毛坯体积约为9.6×105 mm3，质量约为2.63 kg，壁厚较薄，主体部分壁厚为4～8 mm。铸件右半部分明显高于左侧，使得铸件右侧比左侧难以补缩。为保证铸件成形质量，需对铸造工艺方案进行合理设计，初步设计为1模1件的金属型低压铸造工艺。

图1 一体式车体三维模型

为实现从下到上平稳充型，初步采用底注式充型。相对于其他浇注系统，底注式浇注系统可以更好地控制，结合计算得出的浇注系统各浇道的截面积。初步设计出浇注系统见图2。最终确定压力曲线见图3。

温度参数的合理性会影响到低压铸造铸件的成形质量，主要包括浇注温度和模具预热温度。温度设置不能过高和过低，而温度场是衡量铸造稳定性的重要因素，根据经验公式中AlSi7Mg0.3合金的温度设定，本试验确定浇注温度为710 ℃，模具预热温度为350 ℃。确定初始低压铸造的工艺参数见表1。

图2 初步设计浇注系统示意图
1.内浇道 2.横浇道 3.直浇道

图3 低压铸造过程的压力曲线

表1 一体式车体低压铸造初始工艺参数

经过多次模拟对比，选择铸件与砂芯的传热系数为500 W/（m2·K），铸件与模具之间的传热系数为2 000 W/（m2·K），砂芯与模具的传热系数为300 W/（m2·K），模具间的传热系数为3 500W/（m2·K）。环境温度取20 ℃，开模温度取540 ℃，其他参数见表1。充型过程温度场见图4。

凝固过程产生的缩松、缩孔缺陷见图5。由于铸件两内浇道距离中心内浇道过长，使得铸件难以补缩，最终形成孤立液相区，从而产生缩松、缩孔缺陷。

铸件凝固过程温度场见图6。可以看出，由于铸件本身壁厚不均，结构复杂，导致铸件凝固过程无法实现自上而下顺序凝固，部分地方温度不均匀，出现热节。

图4 铸件充型过程温度场

图5 铸件缩松、缩孔所在位置示意图

图6 铸件凝固过程温度场

缩松、缩孔缺陷大部分分布在铸件中间以及右半部分，针对此问题，在横浇道中段添加两个中心内浇道，中间两内浇道的横截面半径为8.8 mm，优化后的浇注系统见图7。
铸件部分壁厚不均易导致铸件较厚大部位处热量无法消散，容易造成在凝固过程出现热节。针对此问题，在铸件出现热节的地方添加设计冷却系统。合理的冷却参数设计有助于顺序凝固，消除缺陷，加快其冷却速度，冷却系统采用水冷的方式，优化后的冷却系统见图8，其他冷却工艺参数见表2。

图7 优化后浇注系统示意图

图8 优化后冷却系统示意图

表2 冷却工艺参数

对改进后的方案进行数值模拟，一般用二次枝晶臂间距值来反映铸件的力学性能，方案改进前后二次枝晶臂间距对比见图9。可以看出，优化前铸件的二次枝晶臂间距最大值为42.56 μm，优化后铸件的二次枝晶臂间距最大值为36.88 μm。二次枝晶臂间距值减小了13.35%，可见由于冷却系统的添加，凝固温度梯度得到优化且凝固时间缩短，铸件力学性能提高。

改进方案前后铸件缩松缩孔缺陷分布见图10。可以看出，铸造工艺改进前，缩松、缩孔分布较多，铸件成形质量不佳，力学性能差。通过改进浇注系统和添加冷却系统，缩松缩孔判据值减小到低于1，铸件缩松、缩孔缺陷基本消除，凝固温度梯度得到优化且凝固时间减少，得到的一体式车体铸件质量、力学性能更好，缺陷更小，证明了此工艺方案的合理性。

工艺方案改进后，在试制车体数值模拟缺陷最严重处取样，见图10b箭头处，该位置的金相图见图11。可以得出车体内已无明显缩松、缩孔现象，铸件力学性能明显改善。

综上，通过添加冷却系统，体积较大、分布较集中的缺陷已基本消除，且凝固时间大幅缩减，提高铸件生产效率的同时减小了铸件的二次枝晶臂间距值，起到了细化晶粒、提高铸件整体力学性能的作用。方案改进前后的铸件质量评价指标对比见表3。

图9 改进前后二次枝晶臂间距对比示意图

图10 改进前后缩松、缩孔缺陷分布对比图

图11 铸件数值模拟缺陷最严重处金相组织图

表3 改进前后铸件质量指标对比示意图

结论

（1）对一体式车体低压铸造工艺进行数值模拟分析，通过对充型、凝固过程的模拟结果分析，预测铸件缩松、缩孔缺陷的分布以及大小，并分析产生原因。

（2）在初始工艺方案的基础上，通过改进浇道、添加冷却等措施进行优化设计，最终消除了铸件中的缩松、缩孔缺陷。

（3）对优化后的工艺方案和添加的冷却系统进行数值模拟分析，结果显示二次枝晶间距值减小了13.35%。由于冷却系统的添加，凝固温度梯度得到优化且凝固时间减少，铸件力学性能得到提升。

《一体式车体低压铸造工艺方案设计》

王鑫 苏小平

南京工业大学机械与动力工程学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》