間接擠壓鑄造活塞模具設計與工藝的優化

洪巍

摘 要： 在活塞模具設計加工中采用間接擠壓鑄造工藝，提高成品操作的穩定性，設備成本低廉，得到了廣泛應用。但是這一工藝在應用中會產生片狀共晶等物質，直接影響工藝的精確度。而數據模擬軟件為模數鑄造創造一種便捷的解決方案，通過可視化窗口操作全面掌控鑄件流程，并了解參數的不合理之處，不僅降低不合格率，還節省操作成本。本文針對活塞模具，全面分析間接擠壓工藝的設計與優化。

關鍵詞： 活塞模具;間接擠壓工藝;改進優化

間接擠壓工藝的發展基礎是壓力鑄造與金屬模鍛工藝，其有大量新特點，在成型操作中，靜壓從始至終都影響金屬液，凝固金屬液以后，在擠壓成型操作中，由于存在壓力，鑄件會發生極微小的變形，加之外邊緣壓力作用使其緊貼型壁。在擠壓凝固層的過程中發生了變形，對一部分能量有效吸收，可以出現較強的補縮作用，對內部縮孔縮松等問題有效解決，提升力學水平。因此對其研究具有一定的實際意義。

一、工藝優勢

當前，這一工藝表現出下列優勢：

第一，這項操作相對簡單，同時體現出較強的經濟價值和操作效率。

第二，在凝固金屬液的過程中，發生緩慢充型并且受到較大擠壓力的影響，形成比較細密的組織，內部很少發生缺陷，獲得良好的性能。與傳統技術相比，相應提升了屈服強度，增加了斷面伸長率，一部分力學性能甚至可以達到鋁合金變形水平。另外在處理后續擠壓操作中，可以選擇熱方式，從而提升力學功能。

第三，由于凝固金屬液始終遭遇擠壓力的影響，因此材料本身不會產生較強的流動性，進一步對應用范圍進行拓展，不僅在普通鋁合金中應用，還適用于變形特點的鋁合金。[1]

在壓力鑄造與擠壓鑄造操作中，凝固液態金屬操作會被擠壓力影響，但二者之間形成了較大差異。首先注入腔內的液態金屬形式不一樣，壓力操作中，高溫狀態以極快的速度注入，在這一操作中，由于充型速度過快，容易滯留一部分氣體，由此產生氣孔現象，不利于后續熱處理。在擠壓操作中，主要是大流量、緩慢注入，充型操作十分穩定，有利于排出氣體，也不會出現大量氣孔。另外，冷卻速度很快，在凝固操作中，澆道阻力降低一部分壓力，最后凝固階段基本不會受到壓力的影響。

二、選擇方案和明確結構

首先，利用UG軟件針對活塞及其模具設計三維造型，進一步劃分網格與體網格，部分鑄件網格因子長度是3mm，通水管道因子長度為2mm，模具部分因子長度為6mm，如此不僅節省操作模擬所需的時間，還對活塞鑄件認真計算。形成二維網格數109760，三維網格數1561699。[2]

本次應用產品材料無法在數據庫中找到相關的復合材料，因此需要錄入合金具體成分，自行產生合金液、固相線溫度等一系列參數。在設計最初模擬活塞充型條件中，牽涉到澆注溶液溫度、預熱模具的設計溫度等數據。由于可以在軟件中將擠壓壓力轉變為沖頭設定的上行擠壓速度，當完成充型后停止移動沖頭使其不能再一次進行加壓，需要在活塞料柄位置設計補縮面。應當注意嚴控擠壓操作速度，由于其產生的擠壓力會對模具應用時間造成影響，也有可能導致設備的使用時間。

三、數據模擬

（一）充型模擬

經過多次對比模擬結果了解到，當設定澆注溫度180℃時，產生200℃的模具溫度，壓頭速度時0.5m/s，可以穩定進行充型，并且不會出現卷氣，整體操作流程完成時間是0.453s。通過定量設備向腔內灌入金屬液，壓頭憑借快速移動產生上下操作，當其與金屬液面有效接觸時，降低操作速度，此時從底部開始金屬液緩慢向上填充，流動之前表面異常光滑，不會出現噴濺。隨著壓頭開始運動，活塞外圓位置先降低溫度，當尚未完全填滿腔內時，已經出現凝固的金屬液，冷隔與澆注不足問題極易發生。[3]

（二）凝固模擬

充型操作結束以后，在既定壓力下保壓凝固處理鑄件，使其迅速達到凝固狀態。首先開始發生凝固的是外圓部分，之后是裙部，最后是頂部與銷部開始凝固。由此可知，隨著不斷發生的凝固行為，在銷部依然存在著補縮壓力的通道。

四、改進與優化

計算鑄件凝固以后，通過軟件系統提供縮松縮孔傾向圖。由于在料柄位置出現活塞補縮截面，因此其發生這一現象相對正常。雖然冷卻水管有利于頂部更好進行凝固，造成裙部位置產生較低的溫度，通過分析可知，中下部容易出現縮孔縮松現象，排氣槽位置產生的補縮功能與擠壓力向集渣包中擠入氧化皮，因此該處形成較好的密閉組織，成型效果很好。冷卻水通過促使頂部凝固的最后位置向下移動，在補縮通道上半截始終卡在活塞中下位置，冷卻凝固以后不能加工清除這一現象，這也是影響成型的最重要因素。經過分析頂部熔池所在部位可知，對料柄優化使其成擴張形態。擴張柄口后，沖頭擠壓溶液使其增加穩定的上升，對成型有效優化;充分向金融溶液傳輸壓力，完全實現熱交換，明顯提升冷卻活塞速度;同時，由于縮短頸部帶來一系列影響，向下移動熔池，截斷了補縮通道，可以在擴張口位置更加集中進行凝固，在后期操作時統一清除。這一模具在處理活塞毛坯時無氣泡產生。通過檢測，滿足使用要求。

五、結語

綜合分析，利用間接擠壓鑄造方法設計活塞，這項技術發展較快，并且迅速在模具加工中應用，在大批量生產操作中，始終容易發生縮孔縮松問題，這個問題只有通過射線探傷方法進行檢測，漏檢現象的頻繁出現，也會增加成本，影響生產時間，一定程度危害用戶利益，因此，采取數據模擬軟件，可以對加工操作提供科學指導，避免發生缺陷，具有一定的應用價值，可以在今后的活塞模具設計中大量使用。

參考文獻：

[1]羅道寶，曾顯恒.基于Procast的汽車框形鑄件的擠壓鑄造工藝參數優化[J].鑄造技術，2016（1）：170-172.

[2]張衛文，趙海東，張大童.金屬材料擠壓鑄造成形技術的研究進展[J].中國材料進展，2016（7）：24-32.

[3]金建新.鋁合金水冷板的鑄造工藝研究[J].特種鑄造及有色合金，2015（2）：47-49.