案例分享

低压铸造技术具有工艺出品率高，充型平稳，自动化程度高等特点，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^[1,2]。低压铸造首先是将干燥的压缩空气压入密封坩埚内的液面上，使金属液在气体压力的作用下，沿升液管自下而上地上升，充满升液盆，再通过浇口和浇道平稳地充满铸型，并在压力下凝固。然后释放液面上的气体压力，使浇口、升液盆和升液管中没有凝固的金属液靠自重流回到坩埚中。再将铸型打开，取出铸件^[3]。

我厂生产的某四缸发动机缸体采用A356铸造铝合金，外形尺寸约为430mm×360mm×330mm，最小壁厚4mm，采用低压铸造成型。因其结构复杂，薄厚不均，在凝固过程中易存在热节，而缩孔和缩松通常发生在铸件的热节处。在试生产的过程中，为了确定热节位置及大小，判定缩松产生的风险，更快地解决问题，我们采用MAGMASOFT进行了模拟计算。MAGMASOFT是一款商业化的铸造模拟软件，因其模拟的准确性，广泛应用于重力铸造，低压铸造，高压铸造等领域，是进行缺陷模拟，工艺优化的有力工具^[4,5]。

缺陷描述

缸体铸件的平衡轴孔处的截面结构如图1所示，用X光做全身探伤检测时，发现有些铸件在平衡轴孔的侧上方有小的缩松（如图2）, 通过MAGMASOFT做数值模拟，可以看到此处有产生缩松的倾向（如图3），模拟结果和实际缺陷位置基本一致。

使用虚拟试验设计DOE(Design Of Experiment)优化参数

解决缩松问题，通常从减小缺陷位置的热节大小或者加强热节周边对它的补缩两方面考虑。基于MAGMASOFT已经可以模拟出这个缺陷，那么我们通过不同参数组合后，对比模拟结果，就可以比较出更优化的方案。

通过分析铸件结构和模具内·加热和冷却系统的分布，对铝液温度，侧模加热温度，底模加热温度，侧模冷却开启时机，底模冷却的开启时机等参数进行了实验设计DOE(Design Of Experiment)，共生成72组模拟方案。将所有的72组模拟方案排序：可以看到第36组参数组合所产生的缩松体积最小（如图4）。

从DOE的相关矩阵图（图5）可以看出：

• 提高铝液温度，会使缩松减小，且在可调范围内影响较大。
• 提高侧模加热温度，会使缩松变大，但是影响不大。
• 提高底模加热温度，会使缩松减小，但是影响不大。
• 将侧模冷却开启时间延后，冷却时长缩短，热节附近冷却效果减弱，会使porosity 变大，且在可调范围内影响较大，反之，加强冷却，可以使porosity变小。

将底模冷却开启时间延后，冷却时长缩短，充型的铝液在经过底模时温降较小，补缩能力更强，会使缩松减小，但是影响不大。

基于上述结果及分析，我们将参数调整的重点放在铝液温度和加强侧模中间的冷却上。通过生产验证，并且综合了不同参数下的力学性能，我们确定了浇注温度730℃，侧模冷却从铝液上升到浇口处立即开启，冷却200s的方案。经过批量生产验证，将该缩松导致的报废在原基础上减少了约50%。

应用MAGMASOFT的几何体交换功能辅助结构优化

由铸件凝固过程的液相分数结果可以看出，缩松区域在凝固过程中会形成孤立的液相区，从侧上部对该部位补缩的通道比较狭长，从下部浇口到该部位的补缩通道较短，但是因为通道狭窄导致凝固后期补缩中断。如果能拓宽从浇口到孤立液相区的通道，充分利用低压铸造时液态金属在压力作用下可自下而上地补缩铸件的条件，就可以减小甚至避免缺陷产生^[6]。

由于平衡轴孔后续会进行加工，考虑把此处的砂芯尺寸变小，增加铸件的厚度。使用MAGMASOFT的几何体交换功能，模拟了如图7所示的方案A。将平衡轴孔处的砂芯，沿水平的直径方向向右侧去除5mm, 10mm和15mm。从模拟结果看，随着补缩通道的加宽，缩松变小直至消除，也没有发现周边其他可能被影响到的区域有任何新的缺陷产生。证明了这个思路是正确的。

但是这个方案在粗加工时会引起刀具受力不均，可能对刀具造成损伤。于是又模拟了方案B，将平衡轴孔处的砂芯直径整体进行调整。分别模拟了从36.5mm减小到32mm，28mm，24mm，20mm的充型凝固过程。从模拟结果可以看出，随着平衡轴孔直径的缩小，补缩通道越来越宽，缩松越来越小。到20mm时缩松已经完全消除。

华晨宝马汽车有限公司(BBA)成立于2003年，是宝马与华晨集团的合资企业。华晨宝马参与研发、采购、生产、销售和客户服务领域，在沈阳设有生产基地，在北京和上海设有子公司。公司最近大幅减少了二氧化碳排放以及每辆汽车的能源和水消耗量。