原標題：壓鑄機活塞鑄造成型的工藝優化

摘 要：通過利用數值模擬軟件對壓鑄機活塞鑄件的鑄造過程進行模擬，根據模擬結果分析了活塞鑄件的充型溫度場和速度場、凝固過程、凝固溫度場、縮孔缺陷及應變情況，從而對其鑄造工藝方案進行了優化，并通過模擬結果對比分析得到了最佳鑄造工藝參數。

前 言：壓鑄機是用于壓力鑄造的機器，與其配套的活塞按照規定的速度將金屬液推送至壓鑄機的壓室內，使金屬液有足夠的能量流經模具內澆道和內澆口，進而填充進模具型腔，隨后保持一定的壓力傳遞給正在凝固的金屬液，直至形成壓鑄件為止。模擬仿真軟件AnyCasting近些年逐漸受到鑄造技術工作者的喜愛，它為鑄造生產提供了極大的幫助，節省了生產時間和成本。

本文通過模擬仿真技術，對活塞鑄造過程中的溫度場、速度場、縮孔及應力變化進行分析，優化確定合理的鑄造工藝參數，采用優化后的工藝參數和方法進行預生產，旨在避免鑄件縮孔缺陷的產生，提高合格率。

1、技術要求及鑄造工藝

1.1 結構及技術要求

活塞鑄件外徑為2 860 mm，高度為1 840 mm，三維圖見圖1，其中活塞外圓面不得有縮孔缺陷。

圖1 活塞鑄件三維圖

1.2 初始鑄造工藝

球墨鑄鐵活塞鑄件采用呋喃樹脂砂造型、半封閉式澆注系統，澆注系統各橫截面面積的比例為：直澆道∶橫澆道∶內澆道=1∶1.65∶0.96。兩包澆注，兩個Φ100 mm直澆道，兩條130 mm×100 mm橫澆道，12根Φ40 mm內澆道，8個Φ180 mm發熱冒口，4個底腳四周放置專用冷鐵，其余位置放置方冷鐵，其工藝三維圖如圖2所示。鐵液澆注溫度在1 320~1 340 ℃，出液前靜置5~8 min，鑄件毛坯重量26 000 kg，澆注重量為31 000 kg，澆注后10天開箱。

圖2 鑄造工藝三維圖

2、鑄造過程有限元模擬

本研究利用有限差分法軟件AnyCasting模擬活塞的鑄造過程，通過仿真得出鑄造成形實時過程中的金屬液溫度場、速度場以及應力變化情況，為實際生產提供參考。

2.1 有限元模擬參數設置

活塞鑄造成形的有限元模型，通過前處理將活塞鑄件劃分網格，導入到有限差分法軟件中進行仿真模擬。該活塞的材質為QT500，材質屬性為：液相線溫度1 187 ℃，固相線溫度1 149 ℃，潛熱52 cal/g，動態粘度0.02 P（g/cm·s），凝固收縮體積變化1.1%，表面張力1 680 N/m，傳熱系數：冒口與發熱冒口套200 W/（㎡ ·K），鑄件與發熱冒口套200 W/（㎡ ·K），鑄件與冷鐵1 500 W/㎡ ·K，砂箱與發熱冒口套200 W/（㎡ ·K），冷鐵與砂箱1 000 W/（㎡ ·K）。

2.2 首次有限元模擬結果

2.2.1 充型速度場模擬

圖3為充型速度場的仿真結果。從圖中可以看出，金屬液首先充填底部，然后往上充填，底腳為最后充填位置，經過120 s完成鑄件的整體充型。通過分析云圖可以得知，充型10%時，鐵液底部稍有起伏，有輕微不平穩現象，速度最高為150 cm/s；充型至50%，速度有所降低，最高為128 cm/s；充型結束時，鐵液速度變為平穩，最高為112 cm/s。

圖3 充型速度場

2.2.2 充型溫度場模擬

圖4為充型溫度場的仿真結果，從圖中可以看出，充型至70%時，底腳最低溫度為1 318 ℃，溫降為12 ℃；充型至80%時，底腳側面最低溫度為1 290 ℃，溫降40℃；充型90%時，底腳側面最低溫度為1 280 ℃，高于液相線溫度1 187 ℃，所以充型良好。

圖4 充型溫度場

2.2.3 凝固過程模擬

圖5為凝固過程的仿真結果，可見冒口先于底腳凝固，冒口補縮效果差，最后凝固位置如圖5b所示，此處為孤立液相區。

圖5 凝固過程

2.2.4 殘余熔體模數模擬

圖6為鑄造過程中活塞殘余熔體的仿真結果。殘余熔體模數是預測鑄造過程中可能出現縮孔缺陷位置的重要判據，模數越大的位置殘余熔體越密集，發生縮孔等缺陷的概率也越高。從圖中可以看出，殘余熔體模數峰值分布在鑄件底部，此位置較厚。

圖6 殘余熔體模數

在底腳對面位置有2%出現縮孔的概率，此位置為非加工面，不得有縮孔缺陷，因此有必要通過調節溫度場來降低縮孔發生的概率。

2.2.5 應變模擬

圖7為應變模擬結果。活塞在工作時底腳與地面接觸，靠此位置支撐，要求變形量小，結果顯示變形量最大為7.3 mm。

圖7 應變模擬結果

凝固過程及殘余熔體模數的模擬結果顯示，冒口沒有起到補縮作用，在底腳處有縮孔傾向。因此，在底腳處加放成形冷鐵，驗證是否可以解決上述問題。

2.3 末次有限元模擬結果

2.3.1 鑄造工藝優化

圖8為改進后的鑄造工藝圖，澆注系統各橫截面積比為：直澆道∶橫澆道∶內澆道=1∶1.65∶0.96，兩包澆注，兩個Φ100 mm直澆道，兩條130 mm×100 mm橫澆道，12根Φ40 mm內澆道，8個Φ180 mm發熱冒口，在底腳側面放置成形冷鐵。澆注溫度1 320~1 340 ℃，靜置時間5~8 min，10天后開箱。

圖8 鑄造工藝優化

2.3.2 充型速度場模擬

圖9為充型速度場的仿真結果。從圖中可以看出，金屬液首先充填底部，然后往上充填，底腳為最后充填位置，經過120 s完成鑄件的整體充型。通過分析云圖可以得知，充型10%時，鐵液底部稍有起伏，有輕微不平穩現象，速度最高為135 cm/s；充型至50%，速度有所降低，最高為120 cm/s；充型結束時，鐵液速度變為平穩，最高為100 cm/s。相比于首次，速度降低。

圖9 充型速度場

2.3.3 充型溫度場模擬

圖10為充型溫度場的仿真結果。從圖中可以看出，充型至70%時，底腳最低溫度為1 318 ℃，溫降為12 ℃；充型至80%時，底腳側面最低溫度為1 290 ℃，溫降為40 ℃；充型90%時，底腳側面最低溫度為1 270 ℃，高于液相線溫度1 187 ℃，充型良好。相比于首次，底腳位置加放冷鐵后溫降增加。

圖10 充型溫度場

2.3.4 凝固過程模擬

圖11為凝固過程的仿真結果。可見冒口先于底腳凝固，冒口補縮效果良好，最后凝固位置如圖11b所示，此處為孤立液相區。

圖11 凝固過程

2.3.5 殘余熔體模數模擬

圖12為鑄造過程中活塞殘余熔體的仿真結果。從圖中可以看出，殘余熔體模數面積相比于首次，明顯降低，由于此位置較厚，縮孔無法完全消除，但有縮減趨勢。

圖12 殘余熔體模數

圖13為鑄件毛坯照片，非加工面無縮孔缺陷，工藝合適。

圖13 鑄件照片

2.3.6 應變模擬

圖14為應變模擬結果。應變量最大為5.0 mm，相比于首次，變形量降低。

圖14 應變模擬結果

3、結束語

利用有限差分法軟件模擬活塞的鑄造工藝過程，對活塞的充型過程、凝固過程、縮孔及應變情況進行分析，確定了最優工藝條件：澆注系統比例為：直澆道∶橫澆道∶內澆道=1∶1.65∶0.96，直澆道為2-Φ100 mm，橫澆道為2-130 mm×100mm，內澆道為12-Φ40 mm，底腳三個側面放置成形冷鐵，外圓面放置冷鐵，為實際生產提供參考。

通過調整冷卻條件，確保了冒口進行有效補縮，降低了鑄件非加工面發生縮孔的概率。經生產驗證，壓鑄件產品合格，與模擬結果相符。

作者
劉沙
阜新市產業技術創新推廣中心 阜新市產業技術研究院
李春亮 白旭東
阜新力達鋼鐵鑄造有限公司
本文來自：《鑄造》雜志