铝合金副车架低压铸造工艺优化

林志翔, 彭文飞等发表于2026/8/6 16:53:40 铝合金副车架低压铸造工艺优化

QQ空间新浪微博腾讯微博人人网网易微博更多

原标题：A356铝合金副车架低压铸造工艺参数的优化研究

“以铝代钢”是汽车底盘结构件实现轻量化的主要方式之一。铝合金材料具有密度小、强度高、成形性好以及耐腐蚀等特点，是目前最理想的轻量化材料之一。低压铸造技术具有少余量、无余量成形加工的特点，同时也是实现汽车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施，但在铸造过程中仍会存在缩孔、缩松、夹渣等缺陷。在铝合金副车架低压铸造过程中，影响铸件质量的因素较多，包括浇注温度、模具预热温度以及浇注工艺参数等。在铸造系统结构确定的情况下，通常是通过调整工艺参数来提高铸件的成形质量和力学性能。

得益于计算机辅助工程（Computer aided engineering，CAE）技术的发展，利用有限元法对低压铸造过程进行数值模拟仿真，通过分析仿真结果来调整和优化工艺参数，以实现产品质量改善。研究者针对A356铝合金铸件的低压铸造过程开展数值模拟，通过探究不同升液管结构对金属液流动及凝固的影响，实现对铸件孔隙率的预测及优化，从而有效提升铸件质量。MagmaSoft软件分析了冷却条件对铸造缺陷的影响，并采用Taguchi法获得了最佳工艺参数组合。建立了铝合金铸件低压铸造数值模拟模型，揭示了A356铝合金车轮中Si宏观偏析规律。研究表明，Sr添加量配合动态压力调控，可显著影响低压铸造铝合金铸件的微观组织，其中，增加Sr的添加量可使铸件微观组织更致密并细化共晶Si相。探讨了气孔缺陷对铝合金低压铸件疲劳极限及寿命的影响机制。对铸件浇注系统的设计与仿真进行了研究。利用ProCAST软件对铝合金铸件的充型及凝固过程进行模拟，确定了局部增压铸造的最佳工艺参数。通过ProCAST软件对铝合金铸件在低压铸造双边浇空冷工艺中的充型与凝固过程开展数值模拟，结合模拟结果表明，采用水冷工艺减小了双边浇工艺的缺陷并进行了验证。

虽然研究者针对低压铸造数值模拟仿真工艺进行了大量研究，但是主要考虑单个工艺参数对铸件质量的影响，因此对于工艺参数的优化需要深入研究。本研究以A356铝合金副车架为对象，运用数值模拟+响应曲面法对其低压铸造工艺进行优化，旨在提高铝合金副车架的成形质量和效率，为铝合金副车架的实际生产提供参考。

图文结果

研究对象为铝合金副车架，其外观见图1。铸件轮廓尺寸为1 240 mm×820 mm×298 mm，平均壁厚为4 mm，质量为25.85 kg。浇注系统设计见图2。

将副车架三维模型导入ProCAST软件中，在Mesh模块中进行几何检查及修复，并对其进行面网格及体网格划分，其中，面网格数量为579 160，体网格数量为3 734 217。隐藏砂箱网格划分图见图3。

副车架材质为A356铝合金（AlSi7Mg0.3），其化学成分见表1。将表1中各元素的含量输入ProCAST软件材料数据库，进行合金热力学计算，得到A356铝合金材料的热物性参数，其中固相线温度为556 ℃，液相线温度为616 ℃。模具材质选用H13钢，直接选用ProCAST软件的材料数据库中的H13模具钢参数。H13钢主要化学成分见表2，其固相线温度为1 355 ℃，液相线温度为1 473 ℃。

图1 铝合金副车架

图2 铝合金副车架浇注系统

图3 副车架网格划分

表1 A356铝合金的化学成分(%)

表2 H13钢的主要化学成分(%)

金属液在凝固过程中，界面传热系数是随温度和时间变化的。根据相关研究对副车架铸造过程的界面传热系数进行设置，见图4。根据加工工艺，设置充型压力参数见图5。初步设置浇注温度为710 ℃，模具预热温度为330 ℃。

图4 界面传热系数

图5 充型压力参数

副车架充型过程温度场分布见图6。可以看出，充型过程中，金属液平稳无飞溅现象，型腔内的金属液始终保持较高的温度，未出现明显下降。当充型率达到100%时，型腔内的金属液出现温度差，尤其是副车架下横梁区域，温度梯度在60 ℃左右，说明充型即将完成前金属液温度已经有所降低，可能会降低金属液的流动性，影响最后充型，但整个充型过程型腔内金属液仍在液相线（616 ℃）以上，整个充型过程并未出现提前凝固的现象。通过分析温度场可知，铸件整个充型过程中，金属液一直保持较高的温度，温度场分布合理，可以保证金属液维持良好的流动性，浇注系统和初始工艺参数能够满足铸件的充型要求。

副车架凝固过程中型腔内铝液的固相率分布情况见图7。可以看出，铸件固相率分布整体上遵循薄壁区固相率高，厚壁区固相率低的规律。凝固整体过程按铸件先凝固，冒口和浇道后凝固的顺序，符合凝固要求。当固相率达到80%时，副车架下横梁部分区域出现较小的孤立液相区，可能导致缩孔缩松缺陷。当铸件完全凝固时，冒口区域固相率约为60%，说明整个凝固过程冒口一直在发挥补缩作用。在初始工艺方案条件下，铸件缩孔缩松缺陷模拟结果见图8。可以看出，初始缩孔缩松体积为3.096 cm3，铸件缩孔缩松缺陷基本分布在上述出现孤立液相区的区域。因此为了减少缺陷，需对工艺参数进行优化。

图6 充型过程温度场分布

图7 凝固过程固相率分布

图8 缩孔缩松缺陷模拟结果

响应曲面法（Response surface methodology，RSM）是一种通过对回归方程分析寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计与数学建模技术，由于考虑了多因素间的交互作用，更适合多组分材料的配合比优化。

为研究多个工艺参数在交互作用下对凝固时间和缩孔缩松体积的影响，以浇注温度、模具预热温度和充型压力为优化参数，以凝固时间（Y1）和缩孔缩松体积（Y2）为优化目标，设计响应曲面试验。各因素依据实际工程经验选取3个水平，通过Design-Expert软件进行3因素3水平试验设计。响应曲面试验因素-水平表见表3。通过ProCAST软件对A356铝合金副车架低压铸造过程进行数值模拟，统计相应的模拟结果。响应曲面试验设计及结果统计见表4。

表3 响应曲面试验因素-水平表

表4 响应曲面试验设计及模拟结果统计

以凝固时间作为目标响应变量，基于试验设计方案及实测数据构建并分析数学模型，获取响应面模型的方差分析结果，见表5。凝固时间模型的拟合汇总见表6。一般而言，对于良好的模型，P<0.01，表示高度显著；0.01

图9为以Y1模型绘制的响应曲面图，直观展现浇注温度和模具预热温度、充型压力两两交互作用对Y1的影响规律。从图9a可以看出，当充型压力为25 kPa时，凝固时间随浇注温度升高而有所延长，约延长了5 s；凝固时间随着模具预热温度的升高从153 s延长到166 s，延长趋势显著。在浇注温度与模具预热温度同时升高的交互作用下，凝固时间从153 s延长到175 s，这是因为随着浇注温度和模具预热温度升高，导致金属液与模具间温差减小，冷却速率下降，从而导致凝固时间上升。从图9b可知，当模具预热温度为330 ℃时，凝固时间随着浇注温度升高而有所延长，约延长了6 s；凝固时间随着充型压力的增大变化幅度不明显。在浇注温度与充型压力同时升高的交互作用下，凝固时间从159 s上升到166 s，说明充型压力越大，金属液流动时间越少，与模具热交换越少，从而使凝固时间没有明显的变化。从图9c可知，当浇注温度为710 ℃时，凝固时间随模具预热温度升高而显著延长，约延长了16 s，而充型压力变化对凝固时间的影响幅度不明显。在两因素交互作用下，凝固时间从155 s延长到171 s，原因与上述相似。综上可知，模具预热温度对铸件凝固时间的影响最显著，其次是浇注温度，充型压力影响最小，模具预热温度和浇注温度通过影响金属液冷却速度，从而影响铸件的凝固时间。

表5 凝固时间模型方差分析结果

表6 凝固时间模型拟合汇总

图9 凝固时间响应曲面图

以缩孔缩松体积作为目标响应变量，基于试验设计方案及实测数据构建并分析数学模型，获取响应面模型的方差分析结果，见表7。缩孔缩松体积模型的拟合汇总见表8。

图10为以Y2模型绘制的响应曲面图，直观展现浇注温度、模具预热温度和充型压力两两交互作用对Y2的影响规律。由图10a可知，当充型压力为25 kPa时，缩孔缩松体积随着浇注温度升高而略有降低，随着模具预热温度的升高而减少，约减少了0.1 cm3。在两因素同时升高的交互作用下，缩孔缩松体积从3.45 cm3下降至3.25 cm3，这是由于模具预热温度和浇注温度的升高，有助于增强金属液流动性和补缩能力，从而减小缩孔缩松体积。由图10b可知，当模具预热温度为330 ℃时，浇注温度升高使缺陷体积轻微降低，随着充型压力的增大表现出先上升后下降的趋势，整体略有上升。在两因素同时升高的交互作用下，缩孔缩松体积表现出先增大后减小的非线性趋势，整体从3.34 cm3下降至3.26 cm3，这是由于充型压力越大，充型时间越短，金属液上升速度越快，金属液上升不平稳，容易产生飞溅，从而使铸件中出现气孔等缺陷，但是当压力持续增大到一定程度，过大的压力有助于后续的补缩，从而使缩孔缩松缺陷减少。充型压力越小，充型时间越长，金属液流速慢，充型平稳，缩孔缩松减少，但是过低的压力会导致金属液在充型过程中因热量损失过多而提前凝固，容易发生冷隔等缺陷。从图10c可知，当浇注温度为710 ℃时，模具预热温度升高使缺陷体积下降0.1 cm3。缩孔缩松体积随着充型压力增大表现出先上升后下降的趋势，整体有所上升。在两因素同时升高的交互作用下，缩孔缩松体积表现出先增大后减小的非线性趋势，原因与上述相似。综上可知，模具预热温度对缩孔缩松体积影响最显著，其次是浇注温度，充型压力影响最小。

表7 缩孔缩松模型方差分析结果

表8 缩孔缩松体积模型拟合汇总

图10 缩孔缩松体积响应曲面图

为实现铸件凝固时间与缩孔缩松体积的协同控制，依托Design-Expert软件对工艺参数组合进行寻优。表9为各指标参数优化范围。根据表9中各指标范围通过Design-Expert软件的Numerical模块对工艺参数进行多目标优化，得到优化工艺参数组合：浇注温度为700 ℃、模具预热温度为326 ℃、充型压力为20 kPa。对最优化工艺参数组合进行预测，凝固时间预测值为155.897 s，缩孔缩松体积的预测值为3.021 cm3。

据最佳工艺参数组合，对铝合金副车架低压铸造过程进行数值模拟验证。方案结果对比见表10，凝固时间、缩孔缩松体积数值模拟对比见图11和图12。通过对比预测优化方案与实际优化方案可以看出，铸件凝固时间为156.521 s，提高了0.624 s，缩孔缩松体积为2.998 cm3，减小了0.023 cm3，相对误差较低，证明方法准确可靠。通过对比初始方案和优化方案可以看出，优化后铸件凝固时间和缩孔缩松体积都相对减少，铸件的成形质量和力学性能都有所提高。

表9 各指标参数优化范围