大直徑鋁合金活塞的模具設計和鑄造工藝優(yōu)化

朱 禎

（濱州渤?；钊邢薰荆綎| 濱州 256602）

金屬型模具重力鑄造成形是傳統(tǒng)鋁活塞毛坯鑄造常采用的鑄造方式。此種鑄造方式對觀察合金鋁液在金屬型腔內(nèi)的凝固過程和充型過程難以直接性觀察。因此鑄造工程師在制作大直徑鋁合金活塞時需要依據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗。該鑄造模式較為落后性，容易導致制作出現(xiàn)的產(chǎn)品結構不合格，因此鑄造成品率較低。高度返修的模具不僅增加了生產(chǎn)成本，也延長了生產(chǎn)工期，促使制造企業(yè)難以在規(guī)定時間內(nèi)交貨。尤其是在鑄造大直徑的鋁合金活塞模具時，生產(chǎn)經(jīng)驗不足，加上模具結構復雜，更是加大了鑄造難度，導致上述問題頻發(fā)。針對此種問題就需要鑄造工程師加強對大直徑鋁合金活塞模具設計和鑄造生產(chǎn)工藝的研究。本文以原鑄造工藝為基礎，借助鑄造凝固模擬分析軟件對鑄造工藝進行分析，在此基礎上，進一步改進和優(yōu)化原有的鑄造工藝和模具結構。內(nèi)容如下。

1 模具設計和鑄造工藝流程的進一步優(yōu)化

在原有的活塞鑄造工藝下對大直徑鋁活塞毛坯和模型進一步的優(yōu)化，構建三維模型是模具設計和鑄造工藝流程進一步優(yōu)化的前提條件。

三維造型圖制作好后需要將其轉(zhuǎn)化為stl文件，將該文件導入MAGMA軟件中，采用網(wǎng)格劃分的方式對三維造型進行劃分。并模擬計算活塞各個部位的流動場、溫度場以及應力場的參數(shù)。在模擬計算結果的基礎上分析模型鑄造中容易出現(xiàn)缺陷的部位，并進一步優(yōu)化原模具結構和鑄造工藝，反復優(yōu)化直到鑄造工藝達到最優(yōu)，并將其優(yōu)化后的鑄造工藝和模具結構用于生產(chǎn)，檢測設計方案和鑄造工藝的整體效果[1]。

2 優(yōu)化模具設計和鑄造工藝的案例分析

2.1 大直徑活塞結構分析

本次所選案例為大直徑鋁合金活塞，亞共晶鋁硅合金是制作此種活塞的主要材料，活塞直徑在?240mm，耐磨鐵圈鑲在了第一環(huán)槽內(nèi)，活塞頂部較厚，裙部壁厚不均勻，內(nèi)腔結構較為復雜。此種類型的活塞鑄造難度系數(shù)較低，但是客戶對此種類型的活塞有較高的質(zhì)量要求。其中大直徑鋁合金活塞三維模型圖見圖1。

圖1 大直徑鋁合金活塞三維模型圖

2.2 活塞模具設計和鑄造工藝方案分析

活塞鑄造企業(yè)在鑄造模具和設計鑄造工藝上常常根據(jù)以往的經(jīng)驗，或以同類相似產(chǎn)品的鑄造工藝作為參考，在此基礎上鑄造模具。本次研究中結合筆者公司鑄造機的特點，最后選用頂朝上式的鑄造模式。在鑄造大直徑鋁合金活塞時，由于其頂部較厚，因此在活塞頂部較為厚大的位置會產(chǎn)生較大的熱節(jié)，為了避免鑄造缺陷問題的發(fā)生，需要將保溫冒口設置在熱節(jié)處，促使其有效補縮。在活塞裙部和內(nèi)銷座過渡部位，壁厚差異性較大，此時為了加快銷座壁厚處的冷卻速度需要采取強制冷水方式對其進行處理，確保得到最終的滿意效果，使其凝固環(huán)節(jié)按照一定的順利凝固[2]。

2.3 借助軟件模擬分析活塞模具設計和鑄造工藝

本次研究中在模擬分析活塞模具設計和鑄造工藝時，在采用的軟件中導入相應的模具模型，并對其進行網(wǎng)格劃分。其中劃分之后的模型見圖2。由于活塞頂部較厚，因此在活塞頂部較為厚大的位置會產(chǎn)生較大的熱節(jié)，為了避免鑄造缺陷問題的發(fā)生，需要將保溫冒口設置在熱節(jié)處，促使其有效補縮。銷座部位采用局部冷卻的方式進行處理。并將冷卻點設計在活塞頂部、冒口根處以及銷座上，借助此種方式來驗證活塞上的熱節(jié)位置。在模具熱傳導系數(shù)的設定上可以參考順序凝固原理，以該原理為依據(jù)模擬分析模具結構和鑄造工藝情況。其中軟件模擬分析的主要內(nèi)容包括鑄件充型過程和凝固過程，對其每個環(huán)節(jié)的參數(shù)進行計算，并對模擬出來的結果進行相應分析[3]。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.4 模擬結果分析

分析冷卻點溫度曲線，可以發(fā)現(xiàn)溫度最高的是活塞頂部，活塞頂部是最后凝固的位置。從冷卻點溫度曲線上可以看出在活塞頂部設置冒口工藝方案是具有合理性的。在縮孔判據(jù)下分析實驗結果，發(fā)現(xiàn)大量的縮松缺陷出現(xiàn)在了毛坯內(nèi)腔有加強筋的位置。其原因是該部位的加強筋較厚，在與內(nèi)腔壁過渡的位置容易出現(xiàn)熱節(jié)。加上頂冒口鋁液距離該部位較遠，因此也不能在第一時間內(nèi)對缺陷進行補縮處理?；诖髓T造工程師需要對該熱節(jié)處進行補縮處理，彌補加強筋部位的缺陷問題。

2.5 進一步優(yōu)化模具結構的鑄造工藝的有效措施

對上述結果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，設計人員在優(yōu)化模具結構和鑄造工藝得同時，是建立在原有模具結構和鑄造工藝基礎之上的。將暗冒口和補縮帶設計在加強筋容易出現(xiàn)缺陷的部位，在消除熱節(jié)的溶蝕，可以很好修補縮松缺陷。此外，進一步調(diào)整鑄造參數(shù)，優(yōu)化鑄造工藝，可以將外膜冷卻的速度進一步加快，能保障過熱部位在短時間內(nèi)得到有效補縮，因此滿足了順序凝固的要求。隨后在軟件中將改進后的模具模型再次導入，在軟件的輔助下對模具模型進行分析，并結合熱節(jié)判據(jù)、縮孔判據(jù)以及凝固時間判據(jù)分析改造后的模擬結果，結果發(fā)現(xiàn)模具結構和鑄造工藝被進一步改造和優(yōu)化之后，完全解決了活塞內(nèi)加強筋部位出現(xiàn)的縮孔缺陷的問題，鑄造毛坯效果得到了明顯提升[4，5]。

2.6 實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)的驗證階段

對改造后和優(yōu)化設計后的模具結果和鑄造工藝實際生產(chǎn)效果進行分析。在原模結構和鑄造澆筑活塞鑄件工藝下，對工件鑄造效果進行宏觀性檢驗。在宏觀檢驗的過程中發(fā)現(xiàn)鑄件上縮松缺陷最容易出現(xiàn)的位置與軟件模擬分析出來的結果是一樣的，均在活塞裙部與止口附近加強筋的過渡部位。該部位因為存在缺陷問題，直接降低了活塞的整體強度。宏觀驗證改進后的模具結構和鑄造工藝，在改進后的模具結構和鑄造工藝下澆筑活塞鑄件，結果發(fā)現(xiàn)改進后的鑄件上沒有出現(xiàn)鑄造缺陷，制造出來的鑄件為合格鑄件。此次的驗證結果與軟件分析的結果是一致的。在模擬分析的過程中，可確保模具試模一次性成功，能將試模周期極大縮短，有效節(jié)約了試模成本，將產(chǎn)品的交付率明顯提升[5，6]。

3 結語

綜上所述，在軟件的支持下，對改進后的模具結構和鑄造工藝進行分析，模擬計算大直徑鋁活塞鑄件整個的凝固過程，可有效預測鑄件凝固過程中可能出現(xiàn)的缺陷部位。在模擬驗證的基礎上，可以進一步優(yōu)化并改進原有模具結構和鑄造工藝。對優(yōu)化改進后的模具結構和鑄造工藝進行模擬計算，結果發(fā)現(xiàn)改進效果較好。隨后又經(jīng)過大量的實際生產(chǎn)驗證，發(fā)現(xiàn)鑄件生產(chǎn)質(zhì)量得到了明顯提升，大直徑活塞試制周期明顯縮短，鑄造成本極大降低，準時交付率明顯提升。