摘要：以AM60B鎂合金輪轂為例，研究了壓射速度、鑄型溫度和澆注溫度對(duì)壓鑄件缺陷的影響。通過(guò)計(jì)算由虛擬實(shí)驗(yàn)得到的缺陷體積的信噪比，求解了不同因素在不同水平下的信噪比的均值和極差，進(jìn)而獲得優(yōu)化的壓鑄工藝。經(jīng)大批量化生產(chǎn)優(yōu)化，得出的最優(yōu)壓鑄工藝參數(shù)為：壓射速度為0.9 m/s，鑄型溫度為260 ℃，澆注溫度為680 ℃。

鎂合金壓鑄生產(chǎn)企業(yè)最大的追求，就是高效率。高品質(zhì)和高效率是企業(yè)生存的根本，是參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要手段，本論文基于穩(wěn)健設(shè)計(jì) [1] 和大批量生產(chǎn)相結(jié)合的方式，對(duì)鎂合金輪轂壓鑄進(jìn)行批量化生產(chǎn)工藝研究，獲得了高效高品質(zhì)壓鑄件生產(chǎn)最佳工藝參數(shù)，對(duì)大尺寸鎂合金壓鑄件大批量生產(chǎn)具有較大的參考價(jià)值，拓寬了鎂合金應(yīng)用范圍，具有較好的應(yīng)用前景。具體做法為：首先利用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法對(duì)壓鑄件缺陷體積進(jìn)行計(jì)算，利用計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)壓鑄件生產(chǎn)預(yù)成形工藝，然后通過(guò)CAE仿真對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，以滿(mǎn)足壓鑄件的質(zhì)量要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于存在操作誤差、測(cè)量誤差等不可控因素，影響壓鑄件的成形質(zhì)量，使壓鑄成形工藝設(shè)計(jì)方案對(duì)產(chǎn)品的成形質(zhì)量穩(wěn)定性降低，如何制定出最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，成為獲得高效高品質(zhì)壓鑄件的關(guān)鍵。

1、穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法

穩(wěn)健設(shè)計(jì)（Robust Design）是一種綜合考慮產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本的新型低成本、高穩(wěn)定性的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。其基本思想是在不消除或減少不確定性因素的情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)盡量減少不確定性因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，即通過(guò)接近目標(biāo)值但波動(dòng)小的設(shè)計(jì)解，設(shè)計(jì)工藝方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)噪聲因素的穩(wěn)定性。穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法最先是由田口玄一于20世紀(jì)70年代后期提出的，是一種基于實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化方法?？紤]的因素包括兩類(lèi)：可控的設(shè)計(jì)參數(shù)和不可控的噪聲因素。穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法包括兩個(gè)基本工具：信噪比和正交試驗(yàn)。信噪比也稱(chēng)SN比，在參數(shù)設(shè)計(jì)中，利用信噪比來(lái)模擬噪聲因素對(duì)質(zhì)量特性的影響。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要采用正交試驗(yàn)表的規(guī)格設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方案，確定參數(shù)的最優(yōu)組合。這些組合具有“均勻分散性、整潔性和可比性”的特點(diǎn)。這樣，少量的試驗(yàn)就可以滿(mǎn)足考察的要求，大大提高了試驗(yàn)效率。

目前，穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法已在化工、電子、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了重大進(jìn)展。但在材料成形過(guò)程中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，在影響因素與產(chǎn)品質(zhì)量之間建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系是很困難的。而穩(wěn)健設(shè)計(jì)所需的測(cè)試條件實(shí)現(xiàn)成本過(guò)高，造成穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法在材料成形中的應(yīng)用受到限制。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的成熟，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行小范圍的試驗(yàn)，成本較低，穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法在材料成形中的應(yīng)用將越來(lái)越有價(jià)值。

2、穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法在鎂合金壓鑄成形中的應(yīng)用

以AM60B鎂合金輪轂為例，以壓鑄件缺陷（圖1）的體積為測(cè)試目標(biāo)，以實(shí)際壓鑄過(guò)程中可能出現(xiàn)的工藝參數(shù)誤差為噪聲因子，進(jìn)行信噪比分析，獲得最佳工藝參數(shù)組合。

圖1 鑄件縮孔縮松缺陷形貌

2.1 零件三維 CAD 模型的建立

采用Pro/Engineer WildFire5.0軟件進(jìn)行鎂合金輪轂零件的實(shí)體建模，如圖2所示。輪轂鑄件凈重1.49 kg，最大直徑460 mm，最大壁厚5.8 mm，最薄壁厚3.45 mm，材質(zhì)為AM60B鎂合金，具有較好的鑄造性能。其化學(xué)成分見(jiàn)表1。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，壓鑄件澆注系統(tǒng)采用直流道中心澆注，無(wú)分流道設(shè)計(jì)。圖1為鑄件縮孔縮松缺陷形貌。

表1 AM60B化學(xué)成分 wB/%

圖2 鎂合金摩托車(chē)輪轂三維造型

2.2 虛擬正交試驗(yàn)的制定與安排

影響壓鑄件品質(zhì)的因素很多，本論文從影響缺陷體積大小的主要工藝參數(shù)角度，確定了正交試驗(yàn)因素為壓射為0.396 9 cm 3 。也就是說(shuō)，當(dāng)消除了所有外部條件的干擾時(shí)，第1組工藝參數(shù)的組合非常適合工業(yè)生產(chǎn)。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不可避免地存在一些不可控因素，使得實(shí)際壓鑄工藝參數(shù)總是圍繞理論值波動(dòng)。在干擾因素的影響下，信噪比能較好地反映壓鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性?？梢员ＷC的缺陷體積不一定是最小的，但其波動(dòng)幅度應(yīng)是最小的。虛擬正交試驗(yàn)結(jié)果表明，第9組壓鑄工藝參數(shù)的信噪比最高，為7.974 3 dB。在第9組試驗(yàn)中，壓鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性最好。在干擾因素的影響下，第9組工藝參數(shù)生產(chǎn)的壓鑄件與第1組工藝參數(shù)速度V、鑄型溫度T 1 和澆注溫度T 2 。查閱了壓鑄工藝參數(shù)的選擇范圍，得到鎂合金冷室壓鑄的壓射速度范圍為0.5~1 m/s，鑄型溫度范圍為240~260 ℃，澆注溫度范圍為650~710 ℃。考慮到在實(shí)際生產(chǎn)中，壓力波動(dòng)和溫
度控制誤差會(huì)引起上述工藝參數(shù)的波動(dòng)，將波動(dòng)引起的誤差視為噪聲因素。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，速度波動(dòng)范圍在（+10%）左右，溫度波動(dòng)范圍在（+10 ℃）左右。每個(gè)噪聲因子具有三個(gè)級(jí)別，如表2所示。

表2 工藝參數(shù)與噪聲因子級(jí)別

2.3 穩(wěn)健性評(píng)定及結(jié)果分析

2.3.1　壓鑄件網(wǎng)格劃分

三維模型以標(biāo)準(zhǔn)接口輸出STP格式。輸出文件通過(guò)GEOMESH進(jìn)行優(yōu)化，然后導(dǎo)入到ProCAST軟件中。采用MeshCAST網(wǎng)格劃分?？鞂?duì)三維造型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格盡可能均勻，單元數(shù)量適當(dāng)。三維造型網(wǎng)格劃分后，節(jié)點(diǎn)數(shù)為110 553個(gè)，單元總數(shù)為562 513個(gè)。根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性原理，充填速度的三個(gè)水平值對(duì)應(yīng)的壓射速度分別為0.5 m/s、0.7 m/s和0.9 m/s。在ProCAST模塊中，模具的邊界條件選擇為空氣冷卻，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)定為5 000 W/（m 2 ·K）。

2.3.2 虛擬正交試驗(yàn)結(jié)果分析

觀察壓鑄件的充填和凝固過(guò)程。計(jì)算虛擬試驗(yàn)中壓鑄件的缺陷的體積。由于所得缺陷體積越小越好。根據(jù)所期望的信噪比函數(shù)“望小特性”，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為信噪比SN，分別計(jì)入各組實(shí)驗(yàn)中。信噪比（SN）是產(chǎn)品穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。信噪比越大，產(chǎn)品的穩(wěn)定性越好。在虛擬正交試驗(yàn)中，計(jì)算壓鑄件在沒(méi)有噪聲和有噪聲的情況下的缺陷體積最小值和最大值，以及在噪聲因子影響下的信噪比的值（表3）。

表3 虛擬工藝參數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，在上述9組試驗(yàn)中，在沒(méi)有干擾因素的影響下，第1組壓鑄工藝參數(shù)的缺陷體積最小，相比質(zhì)量更穩(wěn)定。

信噪比的值對(duì)應(yīng)于各因素的水平。通過(guò)計(jì)算各級(jí)各因子的信噪比均值，進(jìn)一步獲得了信噪比因子水平的極差值?？梢灶A(yù)測(cè)出針對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)響應(yīng)的測(cè)試因子的最佳組合，即一套保證了產(chǎn)品質(zhì)量的最穩(wěn)定壓鑄工藝參數(shù)。同時(shí)，極差值的大小表示了相應(yīng)因素的影響大小，極差值較大，表明該因素較活躍，其變化對(duì)結(jié)果影響也很大；極差值較小，其變化對(duì)結(jié)果影響也很小。該算法簡(jiǎn)單、直觀，易于使用。在表4列出了信噪比均值和不同級(jí)別因素的極值的對(duì)比結(jié)果。

從表4可以看出，極差值最大對(duì)應(yīng)的是鑄型溫度，最小對(duì)應(yīng)的是澆注溫度，因此，試驗(yàn)因素的順序是鑄型溫度、壓射速度和澆注溫度。表4中各因素的平均信噪比用圖3表示，可以更直觀地解釋工藝參數(shù)對(duì)缺陷的影響。從圖3可以看出，當(dāng)壓鑄工藝參數(shù)的組合為A1B3C1時(shí)，信噪比最大，即壓鑄件的質(zhì)量穩(wěn)健性最好。此時(shí)，壓射速度為0.9 m/s，鑄型溫度為260 ℃，澆注溫度為680 ℃，與上述9組試驗(yàn)中第9組工藝參數(shù)正好吻合。若上述9組試驗(yàn)中沒(méi)有優(yōu)化得到的工藝參數(shù)組合，需要重新模擬和驗(yàn)證。

圖3 工藝參數(shù)不同對(duì)應(yīng)的信噪比值

表4 信噪比均值與極差

當(dāng)工藝參數(shù)為A1B3C1時(shí)，采用ProCAST軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不考慮噪聲的缺陷體積（0.398 3 cm 3 ）。當(dāng)受噪聲因素影響時(shí)，缺陷的最大體積為0.436 1 cm 3 ，最小體積為0.319 9 cm 3 ，信噪比為8.211 4 dB，雖然比正交試驗(yàn)表中任何一組試驗(yàn)結(jié)果都大了一些，但也是信噪比值最大的，結(jié)果是一致的。

3、生產(chǎn)驗(yàn)證

通過(guò)ProCAST軟件模擬結(jié)合穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法對(duì)壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化下，得到的最佳壓鑄工藝參數(shù)為：壓射速度為0.9 m/s，鑄型溫度為260 ℃，澆注溫度為680 ℃。根據(jù)該工藝參數(shù)對(duì)鎂合金輪轂鑄件進(jìn)行的大批量生產(chǎn)驗(yàn)證，在實(shí)際生產(chǎn)中，壓鑄工藝參數(shù)分別取壓射速度為0.7~1.3 m/s，鑄型溫度為200~300 ℃，澆注溫度為650~710 ℃，結(jié)合生產(chǎn)效率需要，保壓時(shí)間設(shè)定為20 s。利用抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度和沖擊韌性四個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行表征，生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)壓射速度為0.8~1.0 m/s、澆注溫度為670~690 ℃、鑄型溫度為250~270 ℃時(shí)，鑄件的生產(chǎn)效率最高，力學(xué)性能最好，即品質(zhì)最好。在最佳工藝參數(shù)下得到的輪轂鑄件（圖4），從圖4a可以看出，鎂合金輪轂壓鑄件充型完整，外觀無(wú)缺陷，經(jīng)機(jī)加工后的輪轂表面光滑，加工成產(chǎn)品后對(duì)表面進(jìn)行涂裝（圖4b、4c），外觀質(zhì)量美觀。最后對(duì)鎂合金輪轂鑄件進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果為：抗拉強(qiáng)度為227 MPa、布氏硬度為HBS71、伸長(zhǎng)率為10.7%和抗沖擊韌性為18.7×10 4 J/m 2 ，以上力學(xué)性能表明，該輪轂鑄件達(dá)到了輪轂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，輪轂鑄件內(nèi)部無(wú)嚴(yán)重缺陷，鑄件經(jīng)過(guò)大批量生產(chǎn)后，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，表明上述模擬結(jié)果準(zhǔn)確。

圖4 壓鑄鎂合金摩托車(chē)輪轂鑄件及最后涂裝圖

4、結(jié)論

（1）在不考慮干擾因素的情況下，第1組工藝參數(shù)的缺陷體積最小，其信噪比相對(duì)較小，但不能保證壓鑄件質(zhì)量最穩(wěn)定。當(dāng)鎂合金輪轂的壓射速度為0.9 m/s、鑄型溫度為260 ℃、澆注溫度為680 ℃時(shí)，壓鑄件的質(zhì)量穩(wěn)健性最好，同時(shí)也證明了穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法在壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化中具有可行性和指導(dǎo)性。

（2）通過(guò)計(jì)算信噪比的平均值，分析各因素的影響范圍，得出各因素對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)健性的影響程度。影響壓鑄件缺陷體積穩(wěn)定性的最主要因素是鑄型溫度，其次是壓射速度，澆注溫度對(duì)縮松缺陷穩(wěn)定性的影響最小。

作者：

張占領(lǐng)
鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院
張艷琴
鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院
郭懷宮
北京金輝國(guó)際投資有限公司

本文來(lái)自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷