間接擠壓鑄造活塞模具設(shè)計(jì)與工藝的優(yōu)化

洪巍

摘 要： 在活塞模具設(shè)計(jì)加工中采用間接擠壓鑄造工藝，提高成品操作的穩(wěn)定性，設(shè)備成本低廉，得到了廣泛應(yīng)用。但是這一工藝在應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生片狀共晶等物質(zhì)，直接影響工藝的精確度。而數(shù)據(jù)模擬軟件為模數(shù)鑄造創(chuàng)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(shù)的不合理之處，不僅降低不合格率，還節(jié)省操作成本。本文針對(duì)活塞模具，全面分析間接擠壓工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： 活塞模具;間接擠壓工藝;改進(jìn)優(yōu)化

間接擠壓工藝的發(fā)展基礎(chǔ)是壓力鑄造與金屬模鍛工藝，其有大量新特點(diǎn)，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(huì)發(fā)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(fā)生了變形，對(duì)一部分能量有效吸收，可以出現(xiàn)較強(qiáng)的補(bǔ)縮作用，對(duì)內(nèi)部縮孔縮松等問題有效解決，提升力學(xué)水平。因此對(duì)其研究具有一定的實(shí)際意義。

一、工藝優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前，這一工藝表現(xiàn)出下列優(yōu)勢(shì)：

第一，這項(xiàng)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)體現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和操作效率。

第二，在凝固金屬液的過程中，發(fā)生緩慢充型并且受到較大擠壓力的影響，形成比較細(xì)密的組織，內(nèi)部很少發(fā)生缺陷，獲得良好的性能。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，相應(yīng)提升了屈服強(qiáng)度，增加了斷面伸長(zhǎng)率，一部分力學(xué)性能甚至可以達(dá)到鋁合金變形水平。另外在處理后續(xù)擠壓操作中，可以選擇熱方式，從而提升力學(xué)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(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的流動(dòng)性，進(jìn)一步對(duì)應(yīng)用范圍進(jìn)行拓展，不僅在普通鋁合金中應(yīng)用，還適用于變形特點(diǎn)的鋁合金。[1]

在壓力鑄造與擠壓鑄造操作中，凝固液態(tài)金屬操作會(huì)被擠壓力影響，但二者之間形成了較大差異。首先注入腔內(nèi)的液態(tài)金屬形式不一樣，壓力操作中，高溫狀態(tài)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(chǎn)生氣孔現(xiàn)象，不利于后續(xù)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(wěn)定，有利于排出氣體，也不會(huì)出現(xiàn)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(huì)受到壓力的影響。

二、選擇方案和明確結(jié)構(gòu)

首先，利用UG軟件針對(duì)活塞及其模具設(shè)計(jì)三維造型，進(jìn)一步劃分網(wǎng)格與體網(wǎng)格，部分鑄件網(wǎng)格因子長(zhǎng)度是3mm，通水管道因子長(zhǎng)度為2mm，模具部分因子長(zhǎng)度為6mm，如此不僅節(jié)省操作模擬所需的時(shí)間，還對(duì)活塞鑄件認(rèn)真計(jì)算。形成二維網(wǎng)格數(shù)109760，三維網(wǎng)格數(shù)1561699。[2]

本次應(yīng)用產(chǎn)品材料無法在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到相關(guān)的復(fù)合材料，因此需要錄入合金具體成分，自行產(chǎn)生合金液、固相線溫度等一系列參數(shù)。在設(shè)計(jì)最初模擬活塞充型條件中，牽涉到澆注溶液溫度、預(yù)熱模具的設(shè)計(jì)溫度等數(shù)據(jù)。由于可以在軟件中將擠壓壓力轉(zhuǎn)變?yōu)闆_頭設(shè)定的上行擠壓速度，當(dāng)完成充型后停止移動(dòng)沖頭使其不能再一次進(jìn)行加壓，需要在活塞料柄位置設(shè)計(jì)補(bǔ)縮面。應(yīng)當(dāng)注意嚴(yán)控?cái)D壓操作速度，由于其產(chǎn)生的擠壓力會(huì)對(duì)模具應(yīng)用時(shí)間造成影響，也有可能導(dǎo)致設(shè)備的使用時(shí)間。

三、數(shù)據(jù)模擬

（一）充型模擬

經(jīng)過多次對(duì)比模擬結(jié)果了解到，當(dāng)設(shè)定澆注溫度180℃時(shí)，產(chǎn)生200℃的模具溫度，壓頭速度時(shí)0.5m/s，可以穩(wěn)定進(jìn)行充型，并且不會(huì)出現(xiàn)卷氣，整體操作流程完成時(shí)間是0.453s。通過定量設(shè)備向腔內(nèi)灌入金屬液，壓頭憑借快速移動(dòng)產(chǎn)生上下操作，當(dāng)其與金屬液面有效接觸時(shí)，降低操作速度，此時(shí)從底部開始金屬液緩慢向上填充，流動(dòng)之前表面異常光滑，不會(huì)出現(xiàn)噴濺。隨著壓頭開始運(yùn)動(dòng)，活塞外圓位置先降低溫度，當(dāng)尚未完全填滿腔內(nèi)時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)凝固的金屬液，冷隔與澆注不足問題極易發(fā)生。[3]

（二）凝固模擬

充型操作結(jié)束以后，在既定壓力下保壓凝固處理鑄件，使其迅速達(dá)到凝固狀態(tài)。首先開始發(fā)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(fā)生的凝固行為，在銷部依然存在著補(bǔ)縮壓力的通道。

四、改進(jìn)與優(yōu)化

計(jì)算鑄件凝固以后，通過軟件系統(tǒng)提供縮松縮孔傾向圖。由于在料柄位置出現(xiàn)活塞補(bǔ)縮截面，因此其發(fā)生這一現(xiàn)象相對(duì)正常。雖然冷卻水管有利于頂部更好進(jìn)行凝固，造成裙部位置產(chǎn)生較低的溫度，通過分析可知，中下部容易出現(xiàn)縮孔縮松現(xiàn)象，排氣槽位置產(chǎn)生的補(bǔ)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(dòng)，在補(bǔ)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(xiàn)象，這也是影響成型的最重要因素。經(jīng)過分析頂部熔池所在部位可知，對(duì)料柄優(yōu)化使其成擴(kuò)張形態(tài)。擴(kuò)張柄口后，沖頭擠壓溶液使其增加穩(wěn)定的上升，對(duì)成型有效優(yōu)化;充分向金融溶液傳輸壓力，完全實(shí)現(xiàn)熱交換，明顯提升冷卻活塞速度;同時(shí)，由于縮短頸部帶來一系列影響，向下移動(dòng)熔池，截?cái)嗔搜a(bǔ)縮通道，可以在擴(kuò)張口位置更加集中進(jìn)行凝固，在后期操作時(shí)統(tǒng)一清除。這一模具在處理活塞毛坯時(shí)無氣泡產(chǎn)生。通過檢測(cè)，滿足使用要求。

五、結(jié)語

綜合分析，利用間接擠壓鑄造方法設(shè)計(jì)活塞，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展較快，并且迅速在模具加工中應(yīng)用，在大批量生產(chǎn)操作中，始終容易發(fā)生縮孔縮松問題，這個(gè)問題只有通過射線探傷方法進(jìn)行檢測(cè)，漏檢現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)，也會(huì)增加成本，影響生產(chǎn)時(shí)間，一定程度危害用戶利益，因此，采取數(shù)據(jù)模擬軟件，可以對(duì)加工操作提供科學(xué)指導(dǎo)，避免發(fā)生缺陷，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以在今后的活塞模具設(shè)計(jì)中大量使用。

參考文獻(xiàn)：

[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(shù)優(yōu)化[J].鑄造技術(shù)，2016（1）：170-172.

[2]張衛(wèi)文，趙海東，張大童.金屬材料擠壓鑄造成形技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)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.