摘要：利用Magma軟件，對某款汽車發(fā)動機(jī)鋁合金前蓋的澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)進(jìn)行充型及凝固過程的數(shù)值模擬。通過分析模擬結(jié)果，提出了壓鑄工藝優(yōu)化方案；并再次模擬了優(yōu)化后的充型與凝固過程，分析了溫度場變化、氣壓變化及凝固情況，初步驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性。同時，針對鑄件局部溫度過高、冷卻時間過長的問題，采用高壓點(diǎn)冷等方式加快局部區(qū)域冷卻速度，提高了鑄件質(zhì)量。最后通過實(shí)際生產(chǎn)，驗(yàn)證了澆排系統(tǒng)等工藝設(shè)計(jì)的合理性。

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，出于車身輕量化要求，零部件越來越多地采用輕質(zhì)合金材料。鋁合金（如鋁硅系列合金）具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、摩擦性能好等特點(diǎn)，在汽車發(fā)動機(jī)蓋、變速箱殼體等鑄件中得到廣泛使用。本課題采用Magma軟件，對某家用轎車發(fā)動機(jī)鋁合金前蓋的充填和凝固過程進(jìn)行分析；通過分析數(shù)值模擬的結(jié)果，提出了壓鑄工藝優(yōu)化方案，為類似產(chǎn)品的生產(chǎn)提供參考。

1.鑄件模型及材料

1.1  鑄件模型

發(fā)動機(jī)前蓋外形尺寸約為470 mm×310 mm×105 mm ，產(chǎn)品質(zhì)量約為3.4 kg，主體平均壁厚為3.3 mm，壁厚最大處達(dá)到26 mm（線框標(biāo)注部位為壁厚較厚部分）。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部分布有相當(dāng)數(shù)量的螺栓孔和加強(qiáng)筋；且鑄件壁厚相差非常大，壓鑄過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成致密度不均，導(dǎo)致鑄件變形、縮孔和縮松等問題。鑄件產(chǎn)品模型見圖1。

圖1：鑄件模型

1.2  鑄件材料

發(fā)動機(jī)前蓋要求力學(xué)性能好、致密度高，不允許出現(xiàn)裂紋、縮松、氣孔、縮孔等內(nèi)部缺陷?；谝陨瞎ぷ鳝h(huán)境和要求，選用AlSi9Cu3 鋁合金，其具有流動性較好，優(yōu)良的壓鑄性能。表1為其化學(xué)成分和力學(xué)性能。

表1：AlSi9Cu3合金的化學(xué)成分與力學(xué)性能

2.初始壓鑄工藝方案

2.1初始澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬設(shè)計(jì)2路分支，共6路內(nèi)澆道進(jìn)料，見圖2。鋁合金液從澆口杯導(dǎo)入直澆道，再通過2路分支進(jìn)入6路內(nèi)澆口，最終進(jìn)入型腔充填。

圖2：初始方案

2.2工藝參數(shù)的確定

鑄件材質(zhì)為AlSi9Cu3，模具選用DIEVAR，根據(jù)兩種材料的物理特性，結(jié)合壓鑄工藝設(shè)計(jì)手冊及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并通過計(jì)算，確定了如下壓鑄工藝參數(shù)：鑄件初始溫度為670℃，模具初始溫度為180℃；鑄件質(zhì)量為3.4 kg，澆注系統(tǒng)質(zhì)量為2 kg，排溢系統(tǒng)質(zhì)量為850g，總質(zhì)量為6.25 kg。鑄件投影面積為1 196 cm2，總投影面積為1 554 cm2；選取壓射比壓為60MPa，安全系數(shù)選擇1.2。

計(jì)算脹型力、鎖型力，根據(jù)F脹為脹型力；F鎖為鎖型力；A為總投影面積1554cm2；Pbz為壓射比壓，60MPa；K為安全系數(shù)，取1.2，代入式(1)和式（2），計(jì)算得到F鎖=11 180kN，因此建議選用12 500kN的壓鑄機(jī)。

沖頭直徑選用100 mm ，低速壓射速度為0.2 m/s，高速壓射速度為3.5m/s，料筒總長為780mm ，充填率約為38 %；根據(jù)理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合估算充填時間約為0.07 s，推算出內(nèi)澆口面積約700 mm2，內(nèi)澆口厚度選用2.2 mm。

核算充填速度，根據(jù) V沖/Vg為充填速度；V沖為沖頭壓射速度；Vg =39 m/s，不同壁厚對應(yīng)的內(nèi)澆口速度范圍見表2?？芍涮钏俣仍诤侠矸秶鷥?nèi)。

2.3初擬方案模擬分析

為了解鑄件在鑄造過程中的充填與凝固情況，采用Magma軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，見圖3。可以看出，整個型腔的充填時間約為0.076 s，金屬液進(jìn)入型腔初期充填速度較快，中間區(qū)域充填速度明顯快于兩側(cè)，充填中期，金屬液逐漸進(jìn)入壁厚較厚區(qū)域，此時觀察發(fā)現(xiàn)，壁厚較厚區(qū)域充填相對緩慢，容易產(chǎn)生滯氣現(xiàn)象，待該區(qū)域充填完畢，由于溫度較高，凝固時間較長，極易出現(xiàn)氣孔、縮孔等內(nèi)部質(zhì)量問題。

圖3：初擬方案充填過程模擬

3. 壓鑄工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對壁厚較厚區(qū)域充填相對緩慢的問題，為保證鑄件質(zhì)量，使其成形過程中各區(qū)域充填速度基本一致，擬對壁厚較厚區(qū)域增加2路澆口進(jìn)料，加快該區(qū)域的充填速度，使整個充填過程更加平穩(wěn)、順暢，更加有利于氣體的排除，避免縮孔、縮松等缺陷的發(fā)生。圖4為優(yōu)化方案，線框部分為增加進(jìn)料的2路澆口。由于該澆口位置距離鑄件底部落差較大，為使該區(qū)域進(jìn)料順利，在此處澆口部位增設(shè)一滑塊，見圖5，以保證鋁液較好地充填該區(qū)域。

圖4：優(yōu)化方案

圖5：滑塊設(shè)置

3.2優(yōu)化方案模擬分析

為檢驗(yàn)優(yōu)化方案的充填效果和凝固情況，再次進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察優(yōu)化方案的充填與凝固過程。模擬過程從充填溫度場變化、氣壓變化、凝固情況等方面進(jìn)行了分析。通過觀察發(fā)現(xiàn)，整個型腔充填過程約為0.071 s，與理論估算值非常接近。充填過程中，鋁液推進(jìn)較為平穩(wěn)，速度基本達(dá)到一致；型腔內(nèi)氣體排放順暢，氣壓較為平穩(wěn)，在風(fēng)險(xiǎn)控制范圍內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的滯氣與卷氣現(xiàn)象。在凝固過程中，除壁厚較厚的區(qū)域冷卻凝固較慢，其他區(qū)域凝固冷卻基本較為均勻理想。

              (a)充填溫度                                    (b)氣壓分布                                   (c)凝固情況

圖6：優(yōu)化方案充填及凝固情況模擬

4. 局部區(qū)域冷卻方案

4.1高壓點(diǎn)冷技術(shù)

高壓點(diǎn)冷技術(shù)近年來在壓鑄行業(yè)得到了越來越多地應(yīng)用。通過高壓點(diǎn)冷機(jī)將冷卻水調(diào)節(jié)到理想的壓力狀態(tài)，通過相應(yīng)的管道快速從模具內(nèi)通過，達(dá)到降溫的目的。由于在此過程中型芯冷卻速度快，縮孔不會在型芯位置附近形成，因此，使用高壓點(diǎn)冷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模具熱平衡，有效改善局部氣孔缺陷，大大提高模具壽命，減少型芯的更換和翻修率，并使鑄件的質(zhì)量得到了更好地保證。

4.2局部區(qū)域高壓點(diǎn)冷

針對數(shù)值模擬分析過程中，壁厚較厚部分冷卻凝固較慢的情況，考慮采用高壓點(diǎn)冷對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行快速冷卻，以保證鑄件質(zhì)量。通過對鑄件的結(jié)構(gòu)分析，擬對線框內(nèi)3處型芯內(nèi)部做高壓點(diǎn)冷；同時，對新增滑塊的2處型芯內(nèi)部做高壓點(diǎn)冷，提高孔的內(nèi)部質(zhì)量。采用高壓點(diǎn)冷處的結(jié)構(gòu)示意見圖7。

圖7：高壓點(diǎn)冷處結(jié)構(gòu)示意圖

5. 模具開發(fā)及生產(chǎn)試制

根據(jù)優(yōu)化的工藝方案開發(fā)了壓鑄模具，并進(jìn)行了生產(chǎn)試制。試生產(chǎn)在DCC1250T臥式壓鑄機(jī)上進(jìn)行，模具結(jié)構(gòu)見圖8，試模初始溫度為180 ℃。試制過程中，隨著壓射進(jìn)行，在低速壓射階段，鋁液經(jīng)過直澆道進(jìn)入橫澆道，再由內(nèi)澆口平穩(wěn)進(jìn)入型腔，迅速進(jìn)入高速壓射階段，待充型完畢再針對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高壓點(diǎn)冷，使鑄件各部分的凝固時間基本達(dá)到一致。圖9為試制的產(chǎn)品照片，可見鑄件表面光潔、輪廓清晰、內(nèi)孔質(zhì)量好，無明顯缺陷。對該產(chǎn)品進(jìn)行了氣密性測試與力學(xué)性能檢測。經(jīng)檢驗(yàn)，產(chǎn)品的合格率達(dá)到了96%，測試結(jié)果滿足性能要求。

6. 結(jié)論

（1）利用Magma軟件，對某款家用轎車發(fā)動機(jī)鋁合金前蓋的澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)進(jìn)行充填及凝固過程的數(shù)值模擬，通過模擬分析，找出對應(yīng)的問題，提出了壓鑄工藝優(yōu)化方案。

（2）在確定相關(guān)壓鑄工藝參數(shù)后，再次模擬了優(yōu)化后的充填與凝固過程，分析了溫度場變化、氣壓變化及凝固情況，初步驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性。

（3）針對鑄件局部溫度過高、冷卻時間過長的問題，采用高壓點(diǎn)冷等方式加快局部區(qū)域冷卻速度，提高鑄件質(zhì)量。

作者：
劉紅娟  寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院
劉   海  中國礦業(yè)大學(xué)
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2019年第39卷第12期