原標(biāo)題：壓鑄機(jī)活塞鑄造成型的工藝優(yōu)化

摘 要：通過(guò)利用數(shù)值模擬軟件對(duì)壓鑄機(jī)活塞鑄件的鑄造過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果分析了活塞鑄件的充型溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)、凝固過(guò)程、凝固溫度場(chǎng)、縮孔缺陷及應(yīng)變情況，從而對(duì)其鑄造工藝方案進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)模擬結(jié)果對(duì)比分析得到了最佳鑄造工藝參數(shù)。

前 言：壓鑄機(jī)是用于壓力鑄造的機(jī)器，與其配套的活塞按照規(guī)定的速度將金屬液推送至壓鑄機(jī)的壓室內(nèi)，使金屬液有足夠的能量流經(jīng)模具內(nèi)澆道和內(nèi)澆口，進(jìn)而填充進(jìn)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(shù)工作者的喜愛(ài)，它為鑄造生產(chǎn)提供了極大的幫助，節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間和成本。

本文通過(guò)模擬仿真技術(shù)，對(duì)活塞鑄造過(guò)程中的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、縮孔及應(yīng)力變化進(jìn)行分析，優(yōu)化確定合理的鑄造工藝參數(shù)，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)和方法進(jìn)行預(yù)生產(chǎn)，旨在避免鑄件縮孔缺陷的產(chǎn)生，提高合格率。

1、技術(shù)要求及鑄造工藝

1.1 結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

活塞鑄件外徑為2 860 mm，高度為1 840 mm，三維圖見(jiàn)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(shù)脂砂造型、半封閉式澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)各橫截面面積的比例為：直澆道∶橫澆道∶內(nèi)澆道=1∶1.65∶0.96。兩包澆注，兩個(gè)Φ100 mm直澆道，兩條130 mm×100 mm橫澆道，12根Φ40 mm內(nèi)澆道，8個(gè)Φ180 mm發(fā)熱冒口，4個(gè)底腳四周放置專(zhuān)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(kāi)箱。

圖2 鑄造工藝三維圖

2、鑄造過(guò)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(guò)程，通過(guò)仿真得出鑄造成形實(shí)時(shí)過(guò)程中的金屬液溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及應(yīng)力變化情況，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

2.1 有限元模擬參數(shù)設(shè)置

活塞鑄造成形的有限元模型，通過(guò)前處理將活塞鑄件劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入到有限差分法軟件中進(jìn)行仿真模擬。該活塞的材質(zhì)為QT500，材質(zhì)屬性為：液相線溫度1 187 ℃，固相線溫度1 149 ℃，潛熱52 cal/g，動(dòng)態(tài)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(shù)：冒口與發(fā)熱冒口套200 W/（㎡ ·K），鑄件與發(fā)熱冒口套200 W/（㎡ ·K），鑄件與冷鐵1 500 W/㎡ ·K，砂箱與發(fā)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(jié)果

2.2.1 充型速度場(chǎng)模擬

圖3為充型速度場(chǎng)的仿真結(jié)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(jīng)過(guò)120 s完成鑄件的整體充型。通過(guò)分析云圖可以得知，充型10%時(shí)，鐵液底部稍有起伏，有輕微不平穩(wěn)現(xiàn)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(jié)束時(shí)，鐵液速度變?yōu)槠椒€(wěn)，最高為112 cm/s。

圖3 充型速度場(chǎng)

2.2.2 充型溫度場(chǎng)模擬

圖4為充型溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，充型至70%時(shí)，底腳最低溫度為1 318 ℃，溫降為12 ℃；充型至80%時(shí)，底腳側(cè)面最低溫度為1 290 ℃，溫降40℃；充型90%時(shí)，底腳側(cè)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(chǎng)

2.2.3 凝固過(guò)程模擬

圖5為凝固過(guò)程的仿真結(jié)果，可見(jiàn)冒口先于底腳凝固，冒口補(bǔ)縮效果差，最后凝固位置如圖5b所示，此處為孤立液相區(qū)。

圖5 凝固過(guò)程

2.2.4 殘余熔體模數(shù)模擬

圖6為鑄造過(guò)程中活塞殘余熔體的仿真結(jié)果。殘余熔體模數(shù)是預(yù)測(cè)鑄造過(guò)程中可能出現(xiàn)縮孔缺陷位置的重要判據(jù)，模數(shù)越大的位置殘余熔體越密集，發(fā)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(shù)峰值分布在鑄件底部，此位置較厚。

圖6 殘余熔體模數(shù)

在底腳對(duì)面位置有2%出現(xiàn)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(guò)調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)來(lái)降低縮孔發(fā)生的概率。

2.2.5 應(yīng)變模擬

圖7為應(yīng)變模擬結(jié)果。活塞在工作時(shí)底腳與地面接觸，靠此位置支撐，要求變形量小，結(jié)果顯示變形量最大為7.3 mm。

圖7 應(yīng)變模擬結(jié)果

凝固過(guò)程及殘余熔體模數(shù)的模擬結(jié)果顯示，冒口沒(méi)有起到補(bǔ)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(yàn)證是否可以解決上述問(wèn)題。

2.3 末次有限元模擬結(jié)果

2.3.1 鑄造工藝優(yōu)化

圖8為改進(jìn)后的鑄造工藝圖，澆注系統(tǒng)各橫截面積比為：直澆道∶橫澆道∶內(nèi)澆道=1∶1.65∶0.96，兩包澆注，兩個(gè)Φ100 mm直澆道，兩條130 mm×100 mm橫澆道，12根Φ40 mm內(nèi)澆道，8個(gè)Φ180 mm發(fā)熱冒口，在底腳側(cè)面放置成形冷鐵。澆注溫度1 320~1 340 ℃，靜置時(shí)間5~8 min，10天后開(kāi)箱。

圖8 鑄造工藝優(yōu)化

2.3.2 充型速度場(chǎng)模擬

圖9為充型速度場(chǎng)的仿真結(jié)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(jīng)過(guò)120 s完成鑄件的整體充型。通過(guò)分析云圖可以得知，充型10%時(shí)，鐵液底部稍有起伏，有輕微不平穩(wěn)現(xiàn)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(jié)束時(shí)，鐵液速度變?yōu)槠椒€(wěn)，最高為100 cm/s。相比于首次，速度降低。

圖9 充型速度場(chǎng)

2.3.3 充型溫度場(chǎng)模擬

圖10為充型溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，充型至70%時(shí)，底腳最低溫度為1 318 ℃，溫降為12 ℃；充型至80%時(shí)，底腳側(cè)面最低溫度為1 290 ℃，溫降為40 ℃；充型90%時(shí)，底腳側(cè)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(chǎng)

2.3.4 凝固過(guò)程模擬

圖11為凝固過(guò)程的仿真結(jié)果。可見(jiàn)冒口先于底腳凝固，冒口補(bǔ)縮效果良好，最后凝固位置如圖11b所示，此處為孤立液相區(qū)。

圖11 凝固過(guò)程

2.3.5 殘余熔體模數(shù)模擬

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

圖12 殘余熔體模數(shù)

圖13為鑄件毛坯照片，非加工面無(wú)縮孔缺陷，工藝合適。

圖13 鑄件照片

2.3.6 應(yīng)變模擬

圖14為應(yīng)變模擬結(jié)果。應(yīng)變量最大為5.0 mm，相比于首次，變形量降低。

圖14 應(yīng)變模擬結(jié)果

3、結(jié)束語(yǔ)

利用有限差分法軟件模擬活塞的鑄造工藝過(guò)程，對(duì)活塞的充型過(guò)程、凝固過(guò)程、縮孔及應(yīng)變情況進(jìn)行分析，確定了最優(yōu)工藝條件：澆注系統(tǒng)比例為：直澆道∶橫澆道∶內(nèi)澆道=1∶1.65∶0.96，直澆道為2-Φ100 mm，橫澆道為2-130 mm×100mm，內(nèi)澆道為12-Φ40 mm，底腳三個(gè)側(cè)面放置成形冷鐵，外圓面放置冷鐵，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

通過(guò)調(diào)整冷卻條件，確保了冒口進(jìn)行有效補(bǔ)縮，降低了鑄件非加工面發(fā)生縮孔的概率。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，壓鑄件產(chǎn)品合格，與模擬結(jié)果相符。

作者
劉沙
阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新推廣中心 阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院
李春亮 白旭東
阜新力達(dá)鋼鐵鑄造有限公司
本文來(lái)自：《鑄造》雜志