鋁合金缸體鑄件低壓鑄造壓力曲線的設(shè)定

劉吉東，鄒曉華，鄒曉東，柴勝林

華晨寶馬汽車有限公司 遼寧沈陽 110143

1 序言

低壓鑄造技術(shù)具有工藝出品率高、充型平穩(wěn)、自動化程度高等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)汽車鑄件精密化、薄壁化、輕量化和節(jié)能化的重要措施[1]。低壓鑄造首先是將干燥的壓縮空氣壓入密封坩堝內(nèi)的液面上，使金屬液在氣體壓力的作用下，沿升液管自下而上地上升充滿升液盆，再通過澆口和澆道平穩(wěn)地充滿鑄型，并在壓力下凝固。然后釋放液面上的氣體壓力，使?jié)部?、升液盆和升液管中沒有凝固的金屬液靠自重流回到坩堝中。最后，將鑄型打開，取出鑄件[2]。

在低壓鑄造過程中，壓力曲線控制著鋁液從升液、充型、增壓、保壓直至泄壓的全過程，因此合理的壓力曲線是生產(chǎn)合格鑄件的保證。本文以我公司生產(chǎn)的某鋁合金發(fā)動機(jī)缸體鑄件為例（外形尺寸約為430mm×360mm×330mm，最小壁厚4mm），在低壓鑄造系統(tǒng)條件下（見圖1），探討了壓力曲線的設(shè)定思路。

圖1 低壓鑄造系統(tǒng)示意

2 升液階段壓力曲線的設(shè)定

這里將鋁液進(jìn)入模具型腔前的過程稱為升液階段。升液階段可以再分三步：第一步，在升液管中上升；第二步，從升液管到升液盆的過渡；第三步，在升液盆中上升直至充滿澆口澆道。

鋁液在升液管內(nèi)上升的過程中流經(jīng)的距離越小，則溫度損失就越少，充型速度可以緩慢一些。如果流經(jīng)距離較大，充型速度就需要相應(yīng)地提高一些，否則會有澆不足的風(fēng)險(xiǎn)。生產(chǎn)過程中經(jīng)常在坩堝液位較低時(shí)，如果伴隨著長時(shí)間的停機(jī)導(dǎo)致系統(tǒng)溫降，或鋁液溫度接近下限時(shí)，則會產(chǎn)生澆不足缺陷。為了預(yù)防這種缺陷，這一階段的升液速度要快一些，但是要保證液態(tài)金屬在升液管中流動平穩(wěn)，使其處于層流狀態(tài)，其升液速度v升要小于v臨，保證鋁液層流的臨界速度為0.5m/s[3]。

從升液管到升液盆的過渡過程中，鋁液從升液管中間向升液盆四周擴(kuò)散，會產(chǎn)生劇烈的波動，筆者通過Flow-3D Cast對此過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以觀察到鋁液的波動狀態(tài)隨著升液速度的減慢而減小，當(dāng)升液速度在上一個(gè)階段的基礎(chǔ)上減半后，已經(jīng)基本消除了嚴(yán)重的紊流和卷氣風(fēng)險(xiǎn)，如圖2所示。

圖2 鋁液從升液管進(jìn)入升液盆過程的模擬

鋁液從升液盆進(jìn)入澆口澆道的過程中，液面從大截面進(jìn)入到小截面，面積比較大，需要減慢速度，這也是整個(gè)充型過程中最緩慢的階段，否則就會產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象[3]，如圖3所示。噴濺后的金屬在重力作用下回落，容易將氣體及液態(tài)金屬表面氧化物卷入液態(tài)金屬內(nèi)部，導(dǎo)致卷氣、夾雜缺陷。

圖3 在不同流速下液體進(jìn)入鑄型的情況

3 充型和增壓階段壓力曲線的設(shè)定

鑄造模具是一個(gè)半封閉系統(tǒng)，型腔中的氣體會對鋁液產(chǎn)生一定的反壓力。同時(shí)，合金隨著溫度降低，黏度逐漸增大，與型壁之間的摩擦力也逐漸變大，形成對鋁液的阻力。為了對抗這些阻力，并達(dá)到良好的補(bǔ)縮效果，在鋁液完全充滿型腔后，要迅速加壓，提高底部對上部的補(bǔ)縮效率。加壓時(shí)要保證鑄件表層已經(jīng)結(jié)殼，否則過大的壓力可能導(dǎo)致鋁液從模具的排氣通道溢出，造成“跑火”。由于缸體鑄件屬于薄壁件，凝固較快，所以將充型和增壓連續(xù)進(jìn)行。

增壓后最終充型壓力值的計(jì)算式[4]為

式中P——充型壓力（Pa）；

H——合金液從液面上升到鑄件頂部的總高度（mm）；

γ——合金液在澆注溫度時(shí)的密度（kg/dm3）；

μ——阻力系數(shù)，一般取μ＝1.0～1.5。

本產(chǎn)品材質(zhì)為A 3 5 6 鑄造鋁合金，H為1390mm，鋁液在700℃時(shí)密度為2.4kg/dm3，考慮到各種阻力的綜合系數(shù)和增壓因素，取μ＝1.1。將以上數(shù)值代入式（1），并換算單位為mbar（1mbar＝102Pa），得

鋁液填充型腔的過程中，過慢的速度會使鑄件產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷，因此需要在平穩(wěn)的基礎(chǔ)上快速充型。借鑒之前的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通常選擇充型速度為15～20mm/s。

4 保壓階段壓力曲線的設(shè)定

保壓是指保持恒定的壓力，保證鑄件在壓力作用下結(jié)晶凝固。一般直接采用增壓后的最終壓力作為保壓壓力。

保壓時(shí)間是保壓階段的重要控制參數(shù)。若保壓時(shí)間不足，則鑄件的凝固得不到充分補(bǔ)縮，容易產(chǎn)生縮松、縮孔，甚至出現(xiàn)鑄件底部因未凝固而回流的現(xiàn)象； 若保壓時(shí)間過長，則會降低生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致澆口下端凝固，造成鑄件難以脫離底模[5]。

保壓時(shí)間與鑄件的壁厚、結(jié)構(gòu)，澆口形狀，液態(tài)金屬的溫度及熱導(dǎo)率，鑄型的溫度、熱導(dǎo)率及冷卻條件，坩堝內(nèi)液態(tài)金屬的余量，以及升液管和升液盆是否有加熱保溫措施等有關(guān)[6]。通常以澆口澆道的凝固狀態(tài)為主要依據(jù)，可以用模擬結(jié)果中澆口澆道處的固相率作為判定條件。通過MAGMASOFT鑄造模擬軟件對凝固過程進(jìn)行模擬，根據(jù)固相分?jǐn)?shù)的結(jié)果，當(dāng)澆口頸部的固相分?jǐn)?shù)為50%左右時(shí)（見圖4），即可開始釋放作用在液面的壓力。因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)不能通過底部的壓力促進(jìn)澆口對鑄件的補(bǔ)縮，而且澆口澆道也具備了一定的強(qiáng)度，所以不會產(chǎn)生回流現(xiàn)象。利用泄壓和開模前的20s左右時(shí)間可以讓澆口澆道充分凝固。

圖4 澆口頸部泄壓前的固相分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果

5 泄壓階段壓力曲線的設(shè)定

傳統(tǒng)的低壓鑄造工藝不考慮泄壓過程的速度控制，直接開起泄壓閥門，幾秒鐘的時(shí)間就將坩堝液面上的壓縮空氣釋放出來。

在生產(chǎn)過程中，坩堝內(nèi)的液態(tài)金屬要在高溫狀態(tài)下保持2～3h，因多次加壓排氣引起液面的波動，會在液面上產(chǎn)生相當(dāng)厚的氧化物層。坩堝液面處于低位時(shí)，泄壓過程中鋁液的量在剩余鋁液的占比較大，會引起較大的擾動（見圖5），有可能把氧化物帶到坩堝底部，充型時(shí)隨液流進(jìn)入型腔，使鑄件中產(chǎn)生夾雜缺陷的概率增加[7]。

圖5 泄壓過程中產(chǎn)生的擾動

除了控制升液管下端與坩堝底的間隙不要太小，及時(shí)換坩堝或者補(bǔ)充鋁液，還可以設(shè)定泄壓曲線，采用壓力調(diào)節(jié)閥控制泄壓的速度，讓升液盆和升液管里的鋁液緩慢地回流到坩堝中。本案例選擇用20s的時(shí)間緩慢泄壓。

6 最終的壓力曲線

通過以上分析、計(jì)算和模擬，經(jīng)過試生產(chǎn)，評估質(zhì)量指標(biāo)，最終確定了合理的壓力曲線，如圖6所示，其時(shí)間-壓力關(guān)系見表1。在不同壓力階段對應(yīng)的升液速度和高度如圖7所示。

圖6 缸體鑄件的低壓鑄造曲線

表1 時(shí)間-壓力關(guān)系

圖7 不同壓力階段對應(yīng)的升液速度及高度

7 結(jié)束語

1）低壓鑄造壓力曲線的設(shè)定需要考慮各個(gè)階段的特點(diǎn)，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)、模具溫度、模具排氣系統(tǒng)等因素，調(diào)整加壓速度和時(shí)間。

2）制定壓力曲線需要結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬等方法，并通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，以獲得保證質(zhì)量穩(wěn)定的方案。