CN116638061B - 新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，属于铝合金压铸件技术领域。包括以下步骤：S1：模拟压铸；S2：设计模具；S3：熔炼；S4：搅拌；S5：运输，将金属溶液从搅拌锅内运输至压铸设备中；S6：压铸；S7：检测，检测S6中压铸件变形和扭曲的数据是否在误差范围内；否，则根据补偿系数获得补偿量；是，则跳转至步骤S10；S8：重新设计模具，根据S7中获得的补偿量并利用聚合函数获得精准的补偿量来进行重新设计模具；S9：重复步骤S3‑S8；S10：结束，停止模拟开始进行生产。本发明解决目前的铝合金铸件产品在生产的过程中对于出现尺寸变形的情况不好进行控制的问题。

Description

新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法

技术领域

本发明属于铝合金压铸件技术领域，具体涉及一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法。

背景技术

随着汽车行业对轻量化，绿色环保，节能减排的要求日趋严格，铝合金压铸件广泛应用于汽车、飞机等装备制造业，汽车铝铸件零件，尤其是高压铸件业务快速发展，产品覆盖种类日益增加，且还在以惊人速度迅速发展。但液态金属熔体在高压、高速下射入模具型腔，容易导致型腔中的气体难以排除以及紊流导致铸件内形成气孔、缩孔和疏松等缺陷，特别是压铸形状复杂、性能要求高的精密机械零部件成品率低，影响其性能，而且铸件变形是压铸生产中经常遇到且难以解决的主要缺陷之一，传统的人工矫形方法存在效率低、工作量大、工作环境恶劣的问题。

而目前的铝合金铸件产品在生产的过程中对于铸件的尺寸变形和质量通常采用的是：一、工艺参数调整：实际生产中，在不改变产品结构的情况下，通过模具设计、喷涂、压铸工艺参数的调整等方法，这种方法，往往不能完全获得变形量在规定值范围内的压铸毛坯件，且存在加工稳定性的问题；二、增加铸件的加工余量：对于需要机加工的零件而言，则是增加铸件的加工余量，保证铸件在机加工后能达到规定的尺寸精度。对于该方法而言，其带来的后果是显而易见的。增加加工余量，相当于增加了铸件壁厚，压铸时铸件内部缺陷如气孔、缩松出现的几率增加；同时铸件机加工后孔洞缺陷外露的概率也增加；三、人工矫形方法：对于超过变形极限的铸件，通常采取矫形的方法进行尺寸校正。传统的人工矫形方法是待铸件冷却，去除浇道、溢流槽及飞边毛刺后，利用木刀、木锤、木凳等工具敲打铸件，强制减小铸件的变形程度。此方法效率低、工作量大、噪音大、效果差，并且产品在敲打（矫形）过程中易出现裂纹；易反弹，在实际生产中越来越受到限制。因此，本发明提供了一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，解决目前的铝合金铸件产品在生产的过程中对于出现尺寸变形的情况不好进行控制的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，解决了目前的铝合金铸件产品在生产的过程中对于出现尺寸变形的情况不好进行控制的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，包括以下步骤：

S1：模拟压铸，在计算机上对需要进行压铸的压铸件进行模拟分析；

S2：设计模具，根据模拟分析结果进行模具设计；

S3：熔炼，在坩锅内将金属原料加热至熔融状态并进行保温；

S4：搅拌，将坩锅内金属溶液倒入搅拌锅内进行搅拌；

S5：运输，将金属溶液从搅拌锅内运输至压铸设备中；

S6：压铸，将金属溶液形成压铸件；

S7：检测，检测S6中压铸件变形和扭曲的数据是否在误差范围内；否，则根据补偿系数获得补偿量；是，则跳转至步骤S10；

S8：重新设计模具，根据S7中获得的补偿量并利用聚合函数获得精准的补偿量来进行重新设计模具；

S9：重复步骤S3-S8，直至压铸件尺寸变形在误差范围内；

S10：结束，检测压铸件变形和扭曲的数据处于误差范围内则停止模拟开始进行生产。

作为本发明的一种优选技术方案，在步骤S4中，在对金属溶液进行搅拌时往搅拌锅内通入氮气。

作为本发明的一种优选技术方案，在步骤S5中，设置有保温机构，所述保温机构让运输过程中金属溶液不会冷却凝固。

作为本发明的一种优选技术方案，采用聚合函数法搭配遗传算法来对补偿量进行不断的迭代更新，使获得的补偿量达到预测误差的平均值。

作为本发明的一种优选技术方案，所述坩锅的出液口安装有过滤网，所述过滤网采用陶瓷材料制成。

作为本发明的一种优选技术方案，在步骤S7中，对铸件的内部构造及外部尺寸进行检测，包括X射线检测仪和检测机构，所述X射线检测仪检测铸件的内部构造，所述检测机构检测铸件外部尺寸。

作为本发明的一种优选技术方案，所述检测机构包括安装框、若干定位柱、激光传感器和固定板，所述固定板安装于安装框的顶面，所述固定板上开设有若干过孔，若干所述定位柱一一对应的滑动设置于若干过孔上，所述激光传感器安装于安装框的内底面并检测定位柱与安装框内底面的距离。

作为本发明的一种优选技术方案，所述过孔与定位柱之间填充有橡胶材料，所述定位柱通过橡胶材料贴附于过孔内。

作为本发明的一种优选技术方案，所述搅拌锅包括固定架、锅体、加热器和电磁搅拌器，所述锅体固定于固定架内，所述锅体外部依次安装有加热器和电磁搅拌器，所述加热器包裹于锅体的外侧壁。

作为本发明的一种优选技术方案，所述搅拌锅还包括超声波震动器，所述超声波震动器安装于锅体的内部中心。

本发明的有益效果为：先通过模拟压铸过程来获得理论上的压铸件模具，再让检测机构来检测根据模具生产出来的压铸件的外形尺寸和内部的构造，并根据检测结构来获得压铸件变形的补偿量，再利用算法对补偿量进行进一步的优化，最后根据优化后补偿量来重新设计模具，并重复进行上述步骤，直到尺寸变形处于误差范围内，通过上述方法解决了目前的铝合金铸件产品在生产的过程中对于出现尺寸变形的情况不好进行控制的问题。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明检测机构结构示意图；

图3为本发明搅拌锅结构示意图；

图4为本发明过滤网结构示意图；

主要元件符号说明

图中：1、搅拌锅；11、固定架；12、锅体；13、加热器；14、电磁搅拌器；15、超声波震动器；2、检测机构；21、安装框；22、定位柱；23、激光传感器；24、固定板；25、橡胶材料；3、过滤网。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

请参阅图1-4，本实施例提供了一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，包括以下步骤：

S1：模拟压铸，在计算机上通过流态模拟软件并根据压铸件设置的参数，例如压制时的压力、金属溶液的填充速度和模具的温度等工艺参数，对需要进行压铸的压铸件进行模拟分析，获得理论上最佳的工艺参数和模具数据；

S2：设计模具，根据模拟分析结果进行模具设计；

S3：熔炼，在坩锅内将金属原料加热至熔融状态并进行保温，防止金属溶液冷却结块而导致后续铸件时产生缩孔而影响产品的质量和导致尺寸变形的情况发生；

S4：搅拌，将坩锅内金属溶液倒入搅拌锅1内进行搅拌，将金属溶液进行搅拌，使得金属溶液内的金属含量、温度、气体和其它有害杂质分布更加均匀，以保证生产出来的铸件均匀性和一致性，同时搅拌可以使得金属溶液中的金属晶粒和晶界可以得到进一步的细化，而决定材料机械性能最本质的因素是铸件内部晶粒的形貌、大小、取向和分布等微观组织情况，晶粒尺寸的影响，实质是晶界面积大小的影响。晶粒越细小则晶界面积越大，对性能的影响也越大。对于金属的常温力学性能来说，一般是晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。这是因为，晶粒越细，塑性变形也越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界越曲折；晶粒与晶粒中间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。通过对金属溶胶进行搅拌可以提高铸件的强度和韧性等力学性能，并减少铸件的缩孔和夹杂等缺陷；

S5：运输，将金属溶液从搅拌锅1内运输至压铸设备中；

S6：压铸，将金属溶液形成压铸件；

S7：检测，检测S6中压铸件变形和扭曲的数据是否在误差范围内；否，则根据补偿系数获得补偿量；是，则跳转至步骤S10；

S8：重新设计模具，根据S7中获得的补偿量并利用聚合函数获得精准的补偿量来进行重新设计模具，对模具进行重新设计和进一步的修改压铸机的工艺参数，根据实际的工况来进一步的完成模具设计和修改压铸机的工艺参数；

S9：重复步骤S3-S8，直至压铸件尺寸变形在误差范围内；

S10：结束，检测到压铸件的变形和扭曲的数据处于误差范围内则停止模拟开始进行生产。

在目前已有的成型技术如半固态射铸、真空压铸和挤压铸造技术。半固态射铸成型设备投资大，工艺控制困难；真空压铸成型的系统密封复杂，真空度难以控制，真空阀极易堵塞，清理频繁；挤压铸造成型充型速度太慢，影响生产效率。

而金属半固态成形技术的工艺路线主要有两种：流变成形和触变成形。在早期触变成形是应用更广泛的半固态成形方法，但是由于金属坯料需二次加热，能耗较高，坯料表面氧化较严重，坯料损耗过多，并且生产路线加长，导致总的生产成本非常大，大大影响了生产效益。半固态流变成形是将浆料直接成形，故而具有材料利用率高，流程短,生产效率高等优点,且其适用的合金种类更多，但是同时流变成形的浆液的保存困难和输送过程所需条件苛刻，而且采用金属半固态来进行压制时，由于高压铸件造型复杂而压射速度较高，浇注过程产生紊流后，铝合金中会裹入气体，形成气孔；铝合金在凝固过程中会产生收缩，收缩率约为0.6%，这样在凝固过程中，铸件厚大的部位会因此产生缩孔；液态铝合金在凝固过程中，凝固前沿枝晶骨架间闭合生长后，枝晶间会形成微观尺寸级的孔洞，在温度梯度和冷却速度较大的铸件部位枝晶渗流补缩不能及时发挥作用，就会形成微观缩孔。给其实际生产应用带来了一定的困难。

因此，为了克服金属半固态成形技术的问题，在一实施例中，在步骤S4中，在对金属溶液进行搅拌时往搅拌锅1内通入氮气，在金属溶液位于搅拌锅1内进行进行搅拌的过程中，向搅拌锅1内喷入高速、低压的氮气，在氮气喷吹的过程中，喷入的高速、低压气流会在液体表面形成气泡，这些气泡带动外部液体质量进入气泡内部，形成一个外部环境和内部气泡的介质界面。在这个介质界面上，气体分子通过扩散从液体中向气泡中传递，而气泡中毛细作用形成的表面张力可以阻碍气体分子进入气泡内部，从而形成了气体在液体中的通道。此时，气体在液体中的浓度开始降低，随着气泡不断扩大，部分溶解在液体中的气体在液体中析出形成气泡并逐渐上升到液体表面，实现了气体除去。减少了金属溶液内的气泡对压制过程中的影响，减少了金属溶液在凝固时产生缩孔而导致铸件内部缺陷影响产品质量的问题，同时，向搅拌中的金属溶液吹入氮气，可以实现快速制备半固态浆料，而由于半固态浆料含有固相成分，其粘度高，不易产生紊流裹气，从而大大减少气孔产生的风险。

为了避免在金属溶液运输至压铸机的过程中金属溶液冷却而导致金属溶液提前凝固而影响压铸，在一实施例中，在步骤S5中，设置有保温机构，保温机构让运输过程中金属溶液不会冷却凝固，通过设置保温机构，让金属溶液在运输的途中可以保持处于熔融状态，避免了由于金属溶液提前凝固导致缩孔或者未能充分进入到模具腔内导致铸件未成型或变形，同时金属溶液提前凝固，会导致模具中的金属溶液充填不足，使得压力分布不均匀，就会引起模具表面磨损，甚至产生凸起的情况，而且铸件的晶粒大小较大，且容易在晶界处发生结构不良，导致铸件的力学性能、疲劳性能、气密性等方面都会受到影响。

为了减少补充量的误差值，减少模拟次数，节约生产成本，在一实施例中，在步骤S7中，采用聚合函数法搭配遗传算法来对补偿量进行不断的迭代更新，使获得的补偿量达到预测误差的平均值，在模具的压铸最重要的生产指标包括尺寸精度、形状精度和表面质量，而利用聚合函数法可以将多个模具生产指标综合成一个单一的目标函数，再采用遗传算法来获得最优的补偿量，减少优化的步骤，减少开模的步骤从而提高生产效率，在利用聚合函数法获得精准的补偿量时，假设有一个模具的尺寸精度目标值是100，形状精度目标值是200，表面质量目标值是300。同时，该模具的实际表现如下：尺寸精度为98，形状精度为195，表面质量为305。我们可以使用加权平均值来获得精准的补偿量，还需要考虑的生产指标和各个指标的权重。假设尺寸精度的权重为0.3，形状精度的权重为0.4，表面质量的权重为0.3。则，加权平均值公式为：F(x) = \sum_{i=1}^{k}w_i f_i(x)，其中w_i表示第i个指标的权重系数，f_i(x)表示第i个指标在样本中的值。将数据带进公式，F(x) = 0.3* 2 +0.4* 5 + 0.3* 5 =4.1；根据得到的聚合函数的值，可以计算出需要的补偿量。由于实际表现值小于目标值，因此补偿量应该为正值。同时，根据加权平均值公式，补偿量的大小应该与各个指标的偏差大小和权重成正比。假设我们需要把聚合函数的值提到4，那么对于尺寸精度，它需要提高2/100 × (4.1-4 )/0.3 ≈ 0.22的值；对于形状精度，需要提高5/200× (4.1-4 )/0.4 ≈ 0.0125的值；对于表面质量，需要减少5/300 × (4.1-4 )/0.3 ≈0.0283的值。因此，最终的补偿量为：尺寸精度+0.22，形状精度+0.0125，表面质量-0.0283。

同时，还需要对得到的补偿量进行检验，并根据实际情况进一步进行优化和调整，确保模具设计的精度和稳定性。

将需要优化的补偿量看作为遗传算法中的染色体基因，将其编码成二进制编码，以便遗传算法的操作，根据所设置的基因型和目标函数，生成随机初始种群。每个个体都通过随机生成的基因型来确定初始的补偿量，用于后续的进一步优化，再利用所制定的适应度函数，计算每个个体的适应度值，当种群进化到一定迭代次数或满足优化目标时，输出所优化的补偿量的值，用于实际生产中的使用，根据遗传算法得到优化的补偿量的值，减少一次次进行模拟的次数，通过使用遗传算法进行模拟和补偿，可以预测和抵消这些变形因素，从而提高生产的一致性和稳定性，而且利用遗传算法进行模拟和补偿，可以降低生产成本，减少浪费和不良品的产生并减少了人力、时间和成本，增加生产效率和精度。

为了减少未彻底融化的金属溶液进行到搅拌锅1影响搅拌效果，在一实施例中，坩锅的出液口安装有过滤网3，过滤网3采用陶瓷材料制成，为了减少金属溶液中的杂质，避免搅拌锅1受到过多的阻力影响搅拌效果，保证金属溶液能充分被搅拌均匀，从而获得高质量的铸件。过滤网3采用陶瓷材料制成是因为陶瓷材料具有耐高温、耐磨、耐腐蚀等特性，能在高温下保持稳定性并且能够有效过滤掉金属溶液中的杂质，不会对金属溶液质量造成负面的影响。

为了对压铸件的尺寸变形和内部构造进行检测，在一实施例中，在步骤S7中，对铸件的内部构造及外部尺寸进行检测，包括X射线检测仪和检测机构2，X射线检测仪检测铸件的内部构造，检测机构2检测铸件外部尺寸，X射线检测仪能够非常精细地探测铸件的内部构造，对内部可能存在的缺陷、气孔等进行检测，检测机构2则对铸件的外部尺寸进行检测，主要目的是判断铸件的尺寸是否达到了设计要求，有没有出现尺寸变形的情况，根据X射线检测仪的检测结果来判断压铸件内的缩孔的情况，而检测机构2则对压铸件的尺寸变形进行检测。

为了更好的检测压铸件尺寸变形的情况，由于压铸件自身的形状并不是规整的形状，现有的检测装置，例如利用视觉组件进行检测的装置对压铸件进行检测时并不能很好的将压铸件不规整形状的高度差检测出来，误差较大，为了解决该问题，在一实施例中，检测机构2包括安装框21、若干定位柱22、激光传感器23和固定板24，固定板24安装于安装框21的顶面，固定板24上开设有若干过孔，若干定位柱22一一对应的滑动设置于若干过孔上，激光传感器23安装于安装框21的内底面并检测定位柱22与安装框21内底面的距离，在对压铸件的尺寸变形进行检测时，将压铸件放置于定位柱22上，此时压铸件在重力的影响下推动定位柱22下沉，由于压铸件自身不规整形状，导致有些定位柱22与压铸件的接触较晚，所以此时定位柱22在承受压铸件时会被压铸件挤压出压铸件的形状，此时，激光传感器23对定位柱22与安装框21底面的距离进行检测，得出压铸件的形状与具体的尺寸数值，并与模拟的结果进行对比，得出压铸件的变形量，为后续进行重新模拟设计提供实际的数值，进一步的控制压铸件尺寸变形量，减少不良产品出现的概率，减少生产成本。

为了让压铸件离开定位柱22后定位柱22可以恢复原状，在一实施例中，过孔与定位柱22之间填充有橡胶材料25，定位柱22通过橡胶材料25贴附于过孔内，由于橡胶材料25可以承受挤压形变，当外力消失后能够回复到原状，所以当定位柱22通过橡胶来贴附在过孔内时，当压铸件挤压定位柱22，定位柱22可以为激光传感器23提供压铸件的尺寸数据，同时在压铸件不再对定位柱22提供外力时，橡胶可以让定位柱22恢复为初始状态，这样可以更加方便的进行下一次的检测。

为了更好的对金属溶液进行搅拌，提高铸件的强度和韧性，在一实施例中，搅拌锅1包括固定架11、锅体12、加热器13和电磁搅拌器14，锅体12固定于固定架11内，锅体12外部依次安装有加热器13和电磁搅拌器14，加热器13包裹于锅体12的外侧壁，通过在锅体12的外侧壁设置加热器13，让金属溶液得以充分地加热，使得金属溶液的不同部位达到相同温度，从而避免产生温度差异导致的结晶、烧损、碳化等一系列问题，同时通过电磁搅拌器14来完成对金属溶液进行搅拌，避免由于高温而导致对搅拌器造成腐蚀和破坏，而且电磁搅拌可以更均匀地混合液态金属，效果更好，也更加高效和节能，让金属溶液中的晶粒越细，经过物理搅拌和气相诱变后，金属溶液中的固相成分是以悬浮的球状颗粒状态存在的，这种微观形态在凝固过程中可以提供更多的形核位置，细化晶粒，减少枝晶骨架闭合生长后微观孔洞的产生频率，降低微观缩孔风险。

为了进一步的提高搅拌效果和提高铸件的质量，在一实施例中，搅拌锅1还包括超声波震动器15，超声波震动器15安装于锅体12的内部中心，超声波可引起液体中微小气泡的形成、扩大和破裂，并形成一个低压区域和高压区域。在高压区域，液体分子间的距离短；在低压区域，分子间的距离相对较大。这种区域的变化可引起液体分子的摩擦，加快搅拌物料的扩散和混合，从而使得金属溶液中的杂质得以均匀分布，同时可以帮助将液态金属中的气体挤出，并有效地去除金属溶液中的气体、氧化物等污染物，最终能够提高铸件的强度和韧性，并使其具有更好的物理性质。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：模拟压铸，在计算机上对需要进行压铸的压铸件进行模拟分析；

S2：设计模具，根据模拟分析结果进行模具设计；

S3：熔炼，在坩锅内将金属原料加热至熔融状态并进行保温；

S4：搅拌，将坩锅内金属溶液倒入搅拌锅内进行搅拌；

S5：运输，将金属溶液从搅拌锅内运输至压铸设备中；

S6：压铸，将金属溶液形成压铸件；

S7：检测，检测S6中压铸件变形和扭曲的数据是否在误差范围内；否，则根据补偿系数获得补偿量；是，则跳转至步骤S10；

S8：重新设计模具，根据S7中获得的补偿量并利用聚合函数获得精准的补偿量来进行重新设计模具；

S9：重复步骤S3-S8，直至压铸件尺寸变形在误差范围内；

S10：结束，检测压铸件变形和扭曲的数据处于误差范围内则停止模拟开始进行生产；

在步骤S7中，对铸件的内部构造及外部尺寸进行检测，包括X射线检测仪和检测机构，所述X射线检测仪检测铸件的内部构造，所述检测机构检测铸件外部尺寸；

所述检测机构包括安装框、若干定位柱、激光传感器和固定板，所述固定板安装于安装框的顶面，所述固定板上开设有若干过孔，若干所述定位柱一一对应的滑动设置于若干过孔上，所述激光传感器安装于安装框的内底面并检测定位柱与安装框内底面的距离；

所述过孔与定位柱之间填充有橡胶材料，所述定位柱通过橡胶材料贴附于过孔内。

2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，其特征在于：在步骤S4中，在对金属溶液进行搅拌时往搅拌锅内通入氮气。

3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，其特征在于：在步骤S5中，设置有保温机构，所述保温机构让运输过程中金属溶液不会冷却凝固。

4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，其特征在于：在步骤S7中，采用聚合函数法搭配遗传算法来对补偿量进行不断的迭代更新，使获得的补偿量达到预测误差的平均值。

5.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，其特征在于：所述坩锅的出液口安装有过滤网，所述过滤网采用陶瓷材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，其特征在于：所述搅拌锅包括固定架、锅体、加热器和电磁搅拌器，所述锅体固定于固定架内，所述锅体外部依次安装有加热器和电磁搅拌器，所述加热器包裹于锅体的外侧壁。

7.根据权利要求6所述的一种新能源汽车用压铸件尺寸变形控制方法，其特征在于：所述搅拌锅还包括超声波震动器，所述超声波震动器安装于锅体的内部中心。