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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

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/T228进行，采用万能材料试验机，标距为50mm；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-ProPlus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0.2m/s增大到1.0m/s，铸件抗拉强度先增大后减小，在0.6m/s时达到最大值286MPa；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293MPa；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，