大直徑鋁合金活塞的模具設(shè)計和鑄造工藝優(yōu)化

朱 禎

（濱州渤海活塞有限公司，山東 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(dǎo)致制作出現(xiàn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，更是加大了鑄造難度，導(dǎo)致上述問題頻發(fā)。針對此種問題就需要鑄造工程師加強(qiáng)對大直徑鋁合金活塞模具設(shè)計和鑄造生產(chǎn)工藝的研究。本文以原鑄造工藝為基礎(chǔ)，借助鑄造凝固模擬分析軟件對鑄造工藝進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化原有的鑄造工藝和模具結(jié)構(gòu)。內(nèi)容如下。

1 模具設(shè)計和鑄造工藝流程的進(jìn)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(jìn)一步的優(yōu)化，構(gòu)建三維模型是模具設(shè)計和鑄造工藝流程進(jìn)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(dǎo)入MAGMA軟件中，采用網(wǎng)格劃分的方式對三維造型進(jìn)行劃分。并模擬計算活塞各個部位的流動場、溫度場以及應(yīng)力場的參數(shù)。在模擬計算結(jié)果的基礎(chǔ)上分析模型鑄造中容易出現(xiàn)缺陷的部位，并進(jìn)一步優(yōu)化原模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝，反復(fù)優(yōu)化直到鑄造工藝達(dá)到最優(yōu)，并將其優(yōu)化后的鑄造工藝和模具結(jié)構(gòu)用于生產(chǎn)，檢測設(shè)計方案和鑄造工藝的整體效果[1]。

2 優(yōu)化模具設(shè)計和鑄造工藝的案例分析

2.1 大直徑活塞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)較為復(fù)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(shè)計和鑄造工藝方案分析

活塞鑄造企業(yè)在鑄造模具和設(shè)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(chǔ)上鑄造模具。本次研究中結(jié)合筆者公司鑄造機(jī)的特點(diǎn)，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(shè)置在熱節(jié)處，促使其有效補(bǔ)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(qiáng)制冷水方式對其進(jìn)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(shè)計和鑄造工藝

本次研究中在模擬分析活塞模具設(shè)計和鑄造工藝時，在采用的軟件中導(dǎo)入相應(yīng)的模具模型，并對其進(jìn)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(shè)置在熱節(jié)處，促使其有效補(bǔ)縮。銷座部位采用局部冷卻的方式進(jìn)行處理。并將冷卻點(diǎn)設(shè)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(dǎo)系數(shù)的設(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)行計算，并對模擬出來的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)分析[3]。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.4 模擬結(jié)果分析

分析冷卻點(diǎn)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(diǎn)溫度曲線上可以看出在活塞頂部設(shè)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(jié)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(qiáng)筋的位置。其原因是該部位的加強(qiáng)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(yuǎn)，因此也不能在第一時間內(nèi)對缺陷進(jìn)行補(bǔ)縮處理?；诖髓T造工程師需要對該熱節(jié)處進(jìn)行補(bǔ)縮處理，彌補(bǔ)加強(qiáng)筋部位的缺陷問題。

2.5 進(jìn)一步優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)的鑄造工藝的有效措施

對上述結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計人員在優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝得同時，是建立在原有模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝基礎(chǔ)之上的。將暗冒口和補(bǔ)縮帶設(shè)計在加強(qiáng)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(bǔ)縮松缺陷。此外，進(jìn)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(jìn)一步加快，能保障過熱部位在短時間內(nèi)得到有效補(bǔ)縮，因此滿足了順序凝固的要求。隨后在軟件中將改進(jìn)后的模具模型再次導(dǎo)入，在軟件的輔助下對模具模型進(jìn)行分析，并結(jié)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(jié)果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝被進(jìn)一步改造和優(yōu)化之后，完全解決了活塞內(nèi)加強(qiáng)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(shè)計后的模具結(jié)果和鑄造工藝實際生產(chǎn)效果進(jìn)行分析。在原模結(jié)構(gòu)和鑄造澆筑活塞鑄件工藝下，對工件鑄造效果進(jìn)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(jié)果是一樣的，均在活塞裙部與止口附近加強(qiáng)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(qiáng)度。宏觀驗證改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝，在改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝下澆筑活塞鑄件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改進(jìn)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(jié)果與軟件分析的結(jié)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(jié)語

綜上所述，在軟件的支持下，對改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝進(jìn)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(yù)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(chǔ)上，可以進(jìn)一步優(yōu)化并改進(jìn)原有模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝。對優(yōu)化改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝進(jìn)行模擬計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改進(jìn)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(zhǔn)時交付率明顯提升。