基于Anycasting软件的壳体仿真分析及工艺优化

周波 张立强 高进伟 韩鹏飞

摘  要： 为得到高质量铸件，针对汽车转向器伺服壳体壁厚不均，结构复杂的特点，使用UG对壳体进行三维建模并使用Anycasting模拟铸造软件对壳体高压铸造充型及凝固过程进行数值模拟，改进模具结构优化压铸工艺参数，有效地预测了在压铸过程中出现的缩松缩孔问题的位置。通过正交试验与Anycasting模拟软件分析得出ADC12铝合金转向器伺服壳体优化后的压铸工艺方案：浇注温度为630℃，模具初始预热温度为180℃，压射速度为1.6 m/s。通过压铸件生产加工实验和金相试验验证了优化后的铸件质量明显提高。

关键词：  Anycasting;数值模拟;高压铸造;工艺优化;正交试验

中图分类号： TP311;TG249.2    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.043

本文著录格式：周波，张立强，高进伟，等. 基于Anycasting软件的壳体仿真分析及工艺优化[J]. 软件，2020，41（07）：210-215

Simulation Analysis and Process Optimization of Housing Based on Anycasting

ZHOU Bo， ZHANG Li-qiang， GAO Jin-wei， HAN Peng-fei

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， 201620， China）

【Abstract】： In order to obtain high-quality castings， the wall thickness of the servo housing of the steering gear is uneven and the structure is complex. The housing is three-dimensionally modeled using UG and the high-pressure casting filling and solidification process is carried out using Anycasting simulation casting software. Effectively predicting the location of shrinkage and shrinkage problems that occur during the die casting process. Through the orthogonal test and Anycasting simulation software， the die casting process of ADC12 aluminum alloy steering gear servo housing is as follows： casting temperature 630℃， initial mold temperature 180℃， injection speed 1.6m/s. Through the die casting production experiment and metallographic test， it is found that the optimized process parameters significantly improve the casting quality.

【Key words】： Anycasting; Numerical simulation; High-pressure casting; Process optimization; Orthogonal test

0  引言

高壓铸造由于具有生产效率高、铸件尺寸精度高、可以生产复杂薄壁类零件等特点而被广泛应用于汽车零部件生产制造、化学工业、机床以及通信行业中^[1-3]。在压铸生产过程中，金属液体在高温高压状态下高速充填模具型腔，若充型过程不顺畅，则会导致铸件容易产生气孔和流痕等缺陷。若凝固过程中的温度场分布不均匀，则会使铸件容易产生缩孔缩松等缺陷^[4-5]。汽车转向器伺服壳体是转向器总成中的一个核心零部件，对零件的可靠性有较高的要求，不能够存在较多气孔和缩孔、缩松的问题，否则将大大降低零件使用寿命。工艺方案的选定在传统上多为人工试模，该方法会大大增加人工成本和时间成本，不能满足企业长远发展需求。

近年来，随着计算机技术和CAD/CAM/CAE技术的发展，使得铸造过程的模拟成为可能，这对   降低成本、提高铸造企业的竞争力，具有重要的作用^[6-7]。Cato Dorum ^[8]等人利用仿真软件对U型板铸造过程进行了模拟，通过分析铸造过程中出现的铸造缺陷，并提出了合理解决办法。刘洋^[9]等人运用Magmasoft仿真软件结合正交试验对压铸成型过程进行仿真分析，并对相关工艺参数进行优化分析，研究表明Magmasoft仿真软件可以较为准确地预测缺陷类型及位置。Anycasting是一款可以模拟分析各种铸造工艺过程的专业铸造模拟软件，可对铸造充型和凝固过程中涉及的流场、温度场等进行数值模拟分析^[10]。通过对模拟结果进行分析，可以准确预测铸造过程中出现的缩孔缩松、气孔、流痕、浇不足等缺陷，进而为模具浇排系统、冷却系统及压铸工艺参数的优化提供指导。

本文使用UG软件和Anycasting软件对转向器伺服壳体的压铸充型及凝固过程进行模拟仿真，并以铸件充型时间与孔隙率为判断依据，建立正交试验方案，寻找最优工艺方案，以提高铸件质量，满足铸件使用要求。

1  数值模拟理论和基础方程

在铸件充型过程数值模拟中，液态金属被看作为不可压缩的流体，其流动过程服从连续性方程、能量守恒原理、对流热交换方程等^[11]。

2  转向器伺服壳体压铸模拟前处理

转向器伺服壳体的三维模型如图1所示，它的整体外形尺寸为190 mm×148 mm×109 mm，质量为817.735 g。用UG软件计算出转向器伺服壳体的壁厚参数为：平均壁厚4.96 mm，最大壁厚16.2 mm。

转向器伺服壳体的材料采用ADC12铝合金，ADC12铝合金质量较轻，铸造工艺性好，同时具有强度和硬度较高，耐冲击性好，耐腐蚀性好，机械加工性能良好的特点，因此，ADC12铝合金在汽车零部件制造领域得到了非常广泛的应用。表1为ADC12铝合金的材质构成，ADC12铝合金在570℃ 情况下的物理参数如表2所示^[12]。

3  模拟仿真与分析

从图2中可以看出，当t=0.3131 s时，两个分支横浇道中的合金液同时到达内浇口并开始充填型腔。当t=0.3180 s时，充型率为40%，两个分支横浇道中的合金液汇流后沿着型腔侧壁继续充填，此时，在直的分支横浇道一侧的型腔侧壁细节部位处出现了合金液充填不到的情况，此处可能卷入了气体，原因为该处的型腔侧壁细节部位结构较复杂，使合金液的充填受到了阻碍作用。当t=0.3516 s时，充型率为80%，合金液已基本充满整个型腔，仅在直的分支横浇道一侧的加强筋及圆筒筒壁的过渡处还存在少量合金液未充填到的部位。当t=0.3602 s时，合金液已经充满铸件型腔，并进入铸件末端的

排溢系统，可以看到溢流槽和排气槽中包含了许多型腔中排出的合金液及气体，说明溢流槽和排气槽相互配合，起到了较好的容纳冷污金属及排气的作用。从合金液在充型过程中不同时刻的流动状态来看，合金液的充型过程较为平稳。

优化模具结构后的压铸成型数值模拟中，转向器伺服壳体铸件出现缺陷处的典型截面如图3和图4所示，其中，典型截面X为铸件直的分支横浇道一侧加强筋P1的水平剖切面，典型截面Y正好为铸件的分型面，并且该截面也是较宽的弯曲分支横浇道一侧的加强筋、两个凸出部位及溢流槽的水平剖切面。图5和图6分别为用残余熔体模数法对截面X和截面Y进行的缺陷预测，从图中可以看出，在优化模具结构后的压铸成型数值模拟中，铸件仍有缺陷发生，但铸件型腔两侧的加强筋处及侧边的两个凸出部位处发生缺陷的可能性与原始方案相比已有所减小。图5与6中位于浇排系统部位的缺陷可不用考虑，因为这些部位会在后续加工中被切除。

4  正交试验设计及生产验证

4.1  正交试验设计

根据压铸生产实践经验和Anycasting软件的实际情况，本章选取了三个对铸件质量有重要影响的压铸工艺参数进行试验验证，这三个压铸工艺参数为：合金液浇注温度、压射速度和模具初始预热温度。据此建立正交试验因素水平表及试验方案^[13]，如表3所示。

本试验方案需要进行9组正交试验，基于试验方案中提供的数据，使用铸造模拟软件Anycasting进行压铸数值模拟。为了准确分析压铸模拟结果，选取转向器伺服壳体的两个典型截面X、Y进行观察，在之前的预测中，这两个典型截面出现缺陷的概率较大。截面X为铸件直的分支横浇道一侧加强筋的水平剖切面，截面Y正好为铸件分型面，并且该截面也是较宽的弯曲分支横浇道一侧的加强筋、两个凸出部位及溢流槽的水平剖切面。图7和图8给出了其中第一组正交试验中铸件典型截面X、Y上的概率缺陷分布情况。

通过对九组正交试验的数值模拟结果进行分析计算，得到了正交试验数据表4。

本试验中，目标函数表示的是铸件截面上的缺陷概率参数，缺陷概率参数越小，说明铸件截面上的缺陷面积总得分越小，亦即此组工艺参数越接近最优的压铸工艺参数，因此应选取使铸件截面上的缺陷面积总得分最小的那个水平，即三个因素列中最小的那个缺陷面积总得分平均值对应的水平。从表4中可以看出：U因素（浇注温度）列：k1<k3<k2;V因素（压射速度）列：k3<k2<k1;W因素（模具初始预热温度）：k3<k2<k1;根据以上分析可知，最优的试验方案为U1V3W3，即浇注温度630℃、压射速度1.6 m/s、模具初始预热温度180℃。

4.2  生产验证

根据实际需要，本课题选用东芝350T压铸机进行压铸生产。选取如图9和图10所示的四个关键位置进行分析。

图11为从铸件典型截面处所取的试样在金相显微镜下放大50倍后的微观组织。从图中可以看出，压铸试验条件下得到的铸件，其典型截面处的微观组织均匀致密，无明显大的气孔或缩孔缩松缺陷存在，与原始方案相比，缺陷情况得到了明显改善。

5  结论

通过Anycasting仿真模擬与正交试验分析，知到了金属液浇注时间主要受压射速的度影响，浇注温度对支架铸件缩松缩孔缺陷有更为显著的影响，模具初始温度次之。最终确定了伺服壳体铸件压铸的合理工艺方案：浇注温度为630℃、模具预热温度为180℃、压射速度为1.6 m/s。在最优方案确定后，通过铸件样件试制及观察样件微观组织可知试制铸件无明显缺陷，进一步确定了工艺方案的合理性。

参考文献

1. 齐卫东. 压铸成型工艺与模具[M]. 北京： 北京理工大学出版社， 2012.

2. 杨兵， 张大为， 周峰. 汽车发动机铝合金缸体压铸工艺改进及品质提升[J]. 铸造技术， 2017（01）： 253-255.

3. 李鹏飞， 张寿明， 张腾腾. 铝合金半连续精密铸造控制系统应用研究[J]. 软件， 2018， 39（05）： 38-42.

4. 赵胤. 基于谢宁试验设计的镁合金压铸件质量改进[D]. 上海： 上海交通大学， 2011.

5. 雷黎. 镁合金壳体真空压铸工艺CAE[D]. 哈尔滨： 哈尔滨理工大学， 2006.

6. 李德胜， 周建强， 梅建春， 等. 基于ProCAST球铁支架铸造过程数值模拟[J]. 热加工工艺， 2010， 39（05）： 54-56.

7. D. R. Gunasegaram， M. Givord， R. G. O'Donnell， B. R. Finnin. Improvements engineered in UTS and elongation of aluminum alloy high pressure die castings through the alteration of runner geometry and plunger velocity[J]. Materials Science &amp; Engineering A， 2013， 559.

8. Cato Dorum， Hans I. Laukli， Odd Sture Hopperstad. Through-process numerical simulations of the structural behaviour of Al–Si die-castings[J]. Computational Materials Science， 2008， 46（1）.

9. 劉洋， 石连升， 吉泽升， 等. 于永福. 基于MAGMA的汽车变速箱顶盖的压铸工艺优化[J]. 特种铸造及有色合金， 2014， 34（12）： 1262-1265.

10. 钱怡君， 程兆虎， 于浩. 数值模拟在铸造中的应用进展[J]. 精密成形工程， 2012（4）： 39-43.

11. 胡志， 刘绍平， 闫洪， 等. 基于CAE技术铝合金支架压铸工艺优化[J]. 南昌大学学报（工科版）， 2013， 35（01）： 45-48.

12. 纪莲清， 纪培英， 熊守美， 等. 浇注温度对ADC12 合金超低速压铸件组织性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金， 2008（7）： 529-531.

13. 何为， 唐斌， 薛卫东主. 优化试验设计方法及数据分析[M]. 化学工业出版社， 2012.