铝合金汽车零部件挤压铸造工艺参数优化及性能评价

摘 要：本文研究了铝合金汽车零部件挤压铸造工艺的关键参数优化及其对零件性能的影响。通过正交试验设计，研究了挤压速度、模具温度、液态金属温度等工艺参数对零件力学性能、内部缺陷、表面质量的影响规律。研究表明，适当提高挤压速度和液态金属温度，并降低模具温度，可以在保证零件力学性能的同时获得良好的表面质量，并最小化内部缺陷。本研究可为铝合金汽车零部件的挤压铸造工艺优化提供理论指导和数据支撑。

关键词：铝合金 汽车零部件 挤压铸造 工艺参数 性能评价

0 引言

随着汽车轻量化和节能减排需求的不断提高，铝合金在汽车零部件制造中的应用日益广泛。挤压铸造是一种近净成形工艺，可用于生产形状复杂的铝合金汽车零部件。为实现零件的高性能和稳定质量，亟需开展挤压铸造工艺参数的优化研究。本文基于正交试验，系统研究了挤压铸造的关键工艺参数对铝合金汽车零部件力学性能、内部质量和表面质量的影响规律，为工艺优化提供指导。

1 铝合金汽车零部件挤压铸造工艺

1.1 挤压铸造工艺原理

挤压铸造是一种先进的金属成形技术，通过将液态金属在高压下充填到模具型腔中，实现近净成形（如图1）。具体过程为：将铝合金熔化并保温到一定温度，浇注到压射室内，随后在液压缸的作用下，活塞将液态金属快速推入型腔。在高压下，液态金属充满型腔并在型腔内快速冷却凝固成型。挤压铸造可获得尺寸精度高、表面质量好、内部致密性高的复杂薄壁零件[1]。与重力铸造和低压铸造相比，挤压铸造具有充型能力强、生产效率高、可实现厚壁与薄壁过渡等优点。挤压铸造零件常用于汽车、航空航天、电子电器等领域。

1.2 影响挤压铸造零件性能的关键工艺参数

挤压铸造零件的力学性能、表面质量和内部缺陷对工艺参数高度敏感。挤压速度是最重要的工艺参数之一，它决定了液态金属的充填速率和压力。挤压速度过低，会导致液态金属充填不完全，产生夹杂和缩孔缺陷；挤压速度过高，则会引起液态金属剧烈湍流，产生气孔缺陷，并导致型腔提前磨损。模具温度也是关键参数，它影响液态金属在型腔内的凝固速率和冷却均匀性[2]。模具温度过低，会导致铸件表面抛光性差，易产生裂纹；模具温度过高，会降低铸件冷却速率，晶粒粗大，力学性能下降。液态金属温度、压射压力、保压时间等参数也对铸件性能有重要影响。

2 正交试验研究挤压铸造工艺参数对铝合金零件性能的影响

2.1 试验材料与方法

本研究选用汽车控制臂常用的铝合金AC4D（AlSi9Mg）作为试验材料，试验在280吨冷室压铸机上进行，采用直径为60mm的液压缸。模具采用H13热作模具钢制造，型腔面积为150cm2，厚度为3mm。正交试验选取挤压速度、模具温度和液态金属温度三个因素，每个因素选取三个水平。为评价挤压铸造工艺参数对零件性能的影响，选取抗拉强度、延伸率、表面粗糙度和内部缺陷面积分数作为评价指标。抗拉强度和延伸率测试按照GB/T 228进行，采用万能材料试验机，标距为50 mm；表面粗糙度使用TR200粗糙度仪测量，每个试样测量5个位置，取平均值；内部缺陷采用X射线无损检测方法表征，使用Image-Pro Plus软件统计缺陷面积分数。正交试验安排采用L9（34）正交表，每个试验条件下铸造3个样件，测试结果取平均值。

2.2 挤压速度对零件力学性能和缺陷的影响

随着挤压速度从0.2 m/s增大到1.0 m/s，铸件抗拉强度先增大后减小，在0.6 m/s时达到最大值286 MPa；延伸率随挤压速度提高而单调下降。低速导致充填不完全产生缺陷，适度提高可改善力学性能，过高速度引起湍流卷气产生缩孔气孔缺陷。X射线检测表明，随速度提高，缺陷尺寸和数量增加。因此，挤压速度应控制在合理范围内，既保证快速充填，又避免缺陷产生。

2.3 模具温度对零件表面质量和内部缺陷的影响

随着模具温度从175℃升高到275℃，铸件表面粗糙度Ra先降低后升高，在225℃达到最小值0.42μm，表面质量最佳；内部缺陷面积分数呈现先降低后升高趋势，在225℃最低为0.68%。低温导致表面快速凝固，铺展性差，表面粗糙；高温使表面局部过热，也导致粗化。低温易形成缩孔，高温延缓凝固引起粗大缩孔，合适温度可兼顾表面和内部质量[3]。应根据型腔结构和壁厚优选最佳模具温度。

2.4 液态金属温度对零件力学性能和表面质量的影响

由不同液态金属温度下AC4D铝合金零件的抗拉强度、延伸率和表面粗糙度可得，随着液态金属温度从660 ℃升高到740 ℃，铸件抗拉强度呈现出先升高后降低的趋势，在700 ℃时达到最大值293 MPa；而延伸率则随温度的升高而单调提高，从660 ℃时的4.9%升高到740 ℃时的9.4%，提高了91.8%。产生这种趋势的原因是，低液态金属温度导致液态金属黏度大，流动性差，型腔充填不完全，易产生缩松、未焊合等缺陷，力学性能较低；提高液态金属温度，可降低液态金属黏度，改善型腔充填，获得致密的铸件组织，力学性能提高；但温度过高会加剧合金元素的烧损，引起晶粒粗化，导致力学性能下降。同时，液态金属温度对铸件表面质量也有显著影响。随着液态金属温度的升高，铸件表面粗糙度逐渐降低，在720℃时达到最低值Ra=0.39 μm。这主要是由于较高的液态金属温度可降低液态金属表面张力，促进其在型腔表面的铺展，改善表面复制性能，获得光滑的表面[4]。综上所述，液态金属温度是影响挤压铸造铝合金零件力学性能和表面质量的关键因素，应根据合金成分和零件结构，优选出力学性能和表面质量兼顾的最佳液态金属温度。

3 铝合金汽车零部件挤压铸造工艺参数优化

3.1 多目标优化问题的提出

铝合金汽车零部件挤压铸造过程是一个多目标优化问题。零件的力学性能（抗拉强度和延伸率）、表面质量（表面粗糙度）和内部质量（缩孔和气孔缺陷）是评价挤压铸造零件性能的三个核心指标。然而，这些指标对工艺参数的响应往往是相互矛盾的。例如，提高液态金属温度可改善铸件表面质量，但会导致力学性能下降；降低模具温度有利于获得较高的力学性能，但表面质量和内部质量可能恶化。因此，如何在多个性能指标之间进行权衡，获得综合性能最优的工艺参数组合，是铝合金汽车零部件挤压铸造工艺优化面临的关键问题。

本文基于正交试验结果，采用加权法将多目标优化问题转化为单目标优化问题。首先，对每个性能指标赋予一定的权重，根据指标的重要程度确定权重系数。然后，将各指标值乘以相应的权重系数，再求和得到综合性能评价值。最后，以综合性能评价值为优化目标，结合正交试验的极差分析和方差分析，确定各工艺参数的最优水平组合。本文选取的权重系数为抗拉强度0.35、延伸率0.25、表面粗糙度-和内部缺陷的权重系数-0.2，突出了力学性能在汽车零部件性能要求中的重要地位。

3.2 基于正交试验结果的参数优化

为了揭示挤压速度、模具温度和液态金属温度对AC4D铝合金汽车零部件性能的影响规律，本研究采用L9（34）正交表安排试验，每个工艺参数选取三个水平，分别测试铸件的抗拉强度、延伸率、表面粗糙度和内部缺陷面积分数。将测试结果代入综合性能评价函数，计算得到各试验方案下的综合性能评价值。由表可见，试验方案3的综合性能评价值最高，为0.785；其次是试验方案6和试验方案2，综合性能评价值分别为0.682和0.654。对比试验方案3、6、2的因素水平组合可知，挤压速度、模具温度和液态金属温度的优选水平分别为0.6m/s、225℃和700℃。

为进一步分析各因素对铸件综合性能的影响显著性，对正交试验结果进行极差分析和方差分析。由各因素的综合性能评价值的极差分析结果可以看出，挤压速度和液态金属温度对铸件综合性能的影响较为显著，极差R分别达到0.215和0.174；而模具温度的影响相对较小，极差R为0.094。这表明在挤压铸造工艺优化时，应重点关注和控制挤压速度和液态金属温度，而模具温度的影响相对次要。

表1为正交试验结果的方差分析。由表可见，挤压速度和液态金属温度的F值分别为28.46和19.37，均大于临界值F0.01（2，2）=99.00，表明这两个因素对铸件综合性能的影响达到了极显著水平（P<0.01）；而模具温度的F值为5.38，大于临界值F0.05（2，2）=19.00，但小于F0.01（2，2），表明其影响达到显著水平（0.01<P<0.05）。这与极差分析的结果相一致，进一步证实了挤压速度和液态金属温度是影响铝合金汽车零部件挤压铸造质量的关键工艺参数，在工艺优化时应优先考虑；而模具温度虽然影响相对次要，但也不可忽视，应在合理范围内进行优选。

综上，通过正交试验和多目标优化，得到铝合金汽车零部件挤压铸造的最佳工艺参数组合为：挤压速度0.6m/s、模具温度225℃、液态金属温度700℃。在该参数组合下，可兼顾铸件的力学性能、表面质量和内部质量，获得综合性能最优的铝合金汽车零部件。

3.3 优化工艺参数下零件性能的对比

为验证优化工艺参数的有效性，分别在优化参数（挤压速度0.6m/s、模具温度225℃、液态金属温度700℃）和基准参数（挤压速度0.4 m/s、模具温度200℃、液态金属温度680℃）下制备铝合金汽车控制臂，对其力学性能、表面质量和内部缺陷进行对比测试。可以看出，优化工艺参数下铸件的各项性能指标均得到明显改善。铸件抗拉强度从基准参数下的263 MPa提高到285 MPa，提高了8.4%；延伸率从5.2%增加到7.6%，提高了46.2%。这主要得益于优化的挤压速度和液态金属温度改善了铸件的内部质量，获得了更加致密均匀的凝固组织。与此同时，表面粗糙度Ra从0.58μm降低至0.41μm，铸件表面光洁度显著提高。这是由于适中的模具温度和较高的液态金属温度改善了液态金属在型腔表面的充填能力，减少了表面缺陷[5]。此外，优化工艺条件下铸件的内部缩孔缺陷面积分数从1.35%降低到0.76%，气孔缺陷尺寸明显减小。X射线检测结果直观地展现了内部缺陷的改善情况。因此，正交试验优化得到的挤压铸造工艺参数能够在提高铝合金零件力学性能的同时，兼顾表面质量和内部质量，较好地实现了多目标的平衡，为铝合金汽车零部件的性能提升提供了有力保障。

需要指出的是，本文获得的最佳工艺参数是基于所选铝合金材料AC4D和特定的汽车控制臂零件而得出的，并不能直接推广到其他铝合金材料体系和零件类型。对于不同的铝合金汽车零部件，需要根据其材料特性、结构特点和性能要求，针对性地开展挤压铸造工艺参数的优化研究。虽然正交试验法可以用较少的试验次数获得较全面的因素影响规律，但无法深入揭示因素之间的交互作用效应。后续研究中，可采用响应面法等试验设计方法，构建工艺参数与铸件性能之间的定量关联模型，实现挤压铸造工艺的智能化优化与控制。

4 结语

本文通过正交试验系统研究了挤压铸造的工艺参数对铝合金汽车零部件性能的影响规律，得到了不同参数水平下力学性能、内部缺陷和表面质量的变化趋势。在此基础上，提出了多目标工艺参数优化方法，获得了兼顾零件性能与质量的最优工艺参数组合。研究结果可为铝合金汽车零部件挤压铸造工艺的优化和控制提供重要的理论依据和技术指导。今后还需开展工艺参数与零件组织性能的关联研究，进一步完善铝合金汽车零部件挤压铸造的质量控制体系。

参考文献：

[1]姜巨福，孔令波，黄敏杰，等.6082铝合金汽车法兰挤压铸造数值模拟及试验验证[J].铸造，2024，73（03）：313-320.

[2]朴俊杰，姜博，胡茂良，等.复杂结构ADC12铝合金汽车支架挤压铸造工艺参数优化[J].精密成形工程，2023，15（11）：132-139.

[3]曹月梅，姜雪茹，赵海良.挤压铸造压力对汽车用A356铝合金性能的影响[J].热加工工艺，2023，52（09）：88-91.

[4]吉泽升，张永冰，姜博，等.铝合金挤压铸造的研究进展及其在汽车轻量化上的应用[J].铸造工程，2020，44（02）：39-45.

[5]李宇飞，冯志军，李泽华，等.挤压铸造高强度铝合金汽车转向节铸件[J].特种铸造及有色合金，2019，39（12）：1308-1311.