摘 要 針對氣缸缸體鑄件，建立了三維模型，并基于ＰｒｏＣＡＳＴ對鑄造充型和凝固過程進行了模擬，獲得了溫度場的變化情況，模擬結果顯示了鑄造缺陷的位置。對模擬結果進行分析，并改進初始工藝方案。再對改進后的方案進行數值模擬，并對不同澆注參數進行模擬分析。結果表明，降低壓射速度和提高模具預熱溫度，能有效地減少縮孔、縮松等缺陷，提高鑄件品質，降低廢品率，縮短生產周期。
關鍵詞 壓鑄；ＰｒｏＣＡＳＴ；缸體；數值模擬
壓鑄的主要特點是利用模具型腔對金屬熔體施加高壓，從而形成形狀復雜、薄壁的鑄件［１］。鋁合金壓鑄件已成功應用到汽車、摩托車、通訊、家電、五金制品等領域。隨著計算機技術的發展，數值模擬在鑄造過程中得到廣泛的應用，可用于預測鑄造缺陷，如縮孔、縮松、熱裂、冷隔等，進而優化鑄造工藝，實現理想的型腔填充。壓鑄過程中壓射速度、澆注溫度和模具預熱溫度等工藝參數對鑄件品質影響顯著。曹文炅等［２］利用數值模擬技術對船用柴油機活塞同時凝固工藝進行模擬，準確反映了熱節產生的位置；錢進［３］通過優化澆注工藝方案等方法，獲得球鐵件凝固的溫度場，進而獲得致密鑄件。
缸體零件結構復雜、多變，型腔和孔較多，同時具有不規則的外形和內腔。鋁合金缸體因為質量輕，導熱性良好，從而使用越來越普遍。
本課題利用ＰｒｏＣＡＳＴ軟件模擬某公司鋁合金氣缸缸體的壓鑄充型和凝固過程，預測在壓鑄過程中縮孔、縮松等缺陷產生的位置，分析其原因，優化工藝案，改變工藝參數，從而提高鑄件品質。
１、 模擬前處理
１．１ 模型的建立
利用三維軟件建立澆注系統模型，見圖１。缸體外形尺寸為７７ｍｍ×８４ｍｍ×１５０ｍｍ，質量為０．８６８ｋｇ，澆注系統質量為０．１７４ｋｇ。直澆道選用沉入式，內澆口設置在缸體壁厚處，可減小金屬液充型時的阻力，同時也可以起到補縮作用，內澆口數目為４個。溢流槽分布在離澆口最遠的位置以及金屬液最后充型的位置。
圖１ 澆注系統模型
在ＰｒｏＣＡＳＴ的Ｍｅｓｈｃａｓｔ模塊里對模型進行網格剖分，生成體網格。為保證模擬準確性，應保證圓弧曲面劃分合理，截面內保證有一個以上的自由單元［４］。此模型生成的節點數為１１０ ３７９，單元數為５４７ ３０１。
１．２ 工藝參數的確定
缸體材質為ＡＤＣ１２，其熱物性參數見表１。其液相線溫度為５８０℃，固相線溫度為５１８℃。需用系統中預期成分接近的Ａ３５６合金。模擬試驗中，選用Ｈ１３鋼作為模具材料，模具與外界的傳熱一般設置為空冷。
表１ ＡＤＣ１２合金的熱物性參數
邊界條件要根據邊界的形狀以及傳熱的情況而定，邊界的傳熱情況通常用邊界傳熱系數來衡量，包括鑄件與鑄件、鑄件和鑄型環境的界面傳熱系數兩部分［５］。壓鑄件和模具之間存在界面傳熱，且屬于金屬－金屬型傳熱。對于鋁合金壓鑄來說，界面傳熱系數常取１ ０００～２ ０００Ｗ／（ｍ２·℃），本模擬取１ ５００Ｗ／（ｍ２·℃）。壓鑄模擬時，主要考慮壓射速度、澆注溫度和模具預熱溫度這３ 個工藝參數。本課題采用的壓射速度為１０ｍ／ｓ，澆注溫度為７００℃，模具預熱溫度為１００℃，模擬時間總步數為３ ０００，模擬終止溫度為５０℃。
２、 模擬結果與分析
充型過程見圖２，整個充型過程時間為０．１８７ｓ。澆注系統采用的是分叉式澆道。０．００７ ６ｓ時，中間兩股金屬液從橫澆道經過內澆口注入模具的型腔，見圖２ａ；在０．０３９ｓ時，另外兩股金屬液流入型腔，在壓力作用下，金屬液一部分沿鑄件內壁向上方凸臺處流動，一部分向下流動，之后兩股金屬液平穩的向型腔底部匯聚，見圖２ｂ；在０．１３７ｓ時，兩股金屬液即將匯聚，由于兩股金屬液的流動方向不同，在匯聚時易引起金屬液的飛濺，致使充型不平穩，且金屬液前端可能出現不同程度的氧化，從而造成卷氣和氧化夾雜缺陷，見圖２ｃ；在兩股金屬液匯聚之后，金屬液恢復平穩，在０．１７８ｓ時，最終金屬液將充滿溢流槽，見圖２ｄ。在整個過程中，沒有產生澆不足的情況。由于澆注速度較大，在充型結束時型腔內的溫度仍然接近澆注溫度７００℃。
ＡＤＣ１２合金凝固過程見圖３。充型完成后，金屬液溫度開始下降，在０．３９８ｓ時開始凝固，在３１．３９ｓ時最終凝固，之后冷卻到設定的溫度。從圖３可以看出，缸體上各部位凝固是不同步的，中間薄壁處溫度下降較快，首先凝固，且橫澆道和內澆口溫度下降較鑄件快，可能出現早期凝固現象。從圖３ａ可見，缸體上２處的溫度明顯高于缸體１處的溫度，因此，１處比２處先凝固，造成２處無法由澆口處得到補縮，且４處的溫度低于３處的溫度，４處比３處先凝固；從圖３ｃ和圖３ｄ可見，在ｔ＝２６．８５５ｓ和ｔ＝３６．４３５ｓ時分別處于缸體凝固的后期和凝固剛結束的狀態，此時可以看到在３、４、２、１處的溫度依次降低，３處壁最厚，冷卻速度最慢，最后凝固，且在此處并沒有設置冒口，因此在缸體的凸臺處可能會出現縮松、縮孔缺陷。
圖２ 充型過程
圖３ ＡＤＣ１２合金凝固過程模擬
圖４為ＡＤＣ１２合金的凝固缺陷預測。由圖４ａ可知，在充型０．１７５ｓ時壓鑄件出現氧化夾渣處的充型情況，橢圓位置標注的是金屬液在缸體里最后填充的地方，可見此處有明顯的卷氣，容易造成形腔內的空氣和金屬液的氧化皮無法排出，而形成氧化夾渣。這些氧化皮可以通過設置集渣包排出，以免使氧化皮聚集在壓鑄件的型壁上。從圖４ｂ中可以看出，鑄件的凸臺和棱角處有明顯的縮松、縮孔，且縮松、縮孔主要出現在缸體的４個棱角的壁厚最大處，與上述預測結果一致。這是由于在４個棱角和臺階周圍的壁厚較薄，散熱較快，凝固速度快，致使凸臺和棱角處得不到很好的補縮，從而造成缺陷的產生［６，７］。
圖４ ＡＤＣ１２合金缺陷
為減少縮孔等缺陷的出現，可以采取改善澆注系統、改變工藝參數等措施。
３、 工藝方案的改進
根據原方案的模擬結果及分析可知，鑄件有明顯的縮松、縮孔，且主要出現在壁厚較大且溫度過高的臺階處［６］。為此需降低凸臺和凸臺周圍的溫度差，加快凸臺和棱角處溫度的下降。由于原方案在冷卻時出現內澆口和橫澆道先冷卻的現象，因此，對內澆口和橫澆口進行改進，增加澆道的厚度，從而延緩冷卻時間；在缸體的４個棱角處和凸臺
周圍設置冷卻水道，通過高壓冷卻水對凸臺處的高溫金屬液進行冷卻，加快金屬液溫度的下降；同時為了排出型腔內的氣體、涂料殘渣以及增強金屬液的補縮能力，在缸體凸臺處增設溢流槽和排氣槽。改進后的工藝方案模型見圖５。以相同的工藝參數對改進后的模型進行模擬，產生的縮孔、縮松缺陷見圖６ａ。
圖５ 改進工藝方案模擬
利用改進后的工藝方案，對不同的工藝參數進行模擬分析。設定澆注速度、澆注溫度和模具預熱溫度，方案１的３個參數分別為５ｍ／ｓ、７００℃、１００℃；方案２的３個參數分別為５ｍ／ｓ、６６０℃、１００℃；方案３的３個參數分別為５ｍ／ｓ、６６０℃、１８０℃。對３種方案進行模擬，產生的缺陷位置和大小，見圖６ｂ～圖６ｄ。
圖６ ４種工藝縮松、縮孔缺陷對比圖
由圖６可知，由于增設冷卻水道和溢流槽，與原工藝方案相比，缸體縮孔、縮松缺陷明顯減少。比較圖６ｂ和６ａ可知，降低壓射速度能減少縮孔、縮松的產生。因為壓射速度過大，導致金屬液對型腔的沖擊加大，使金屬液粘附在型腔內，且型腔內的空氣不易排出從而導致缺陷的產生；比較圖６ｃ與圖６ｂ，縮松等缺陷減少，說明方案２的澆注溫度更合適，因為澆注溫度７００℃對于鋁合金液相線溫度（５１８ ℃）而言相對較高，凝固時間較長，凝固收縮較大，鑄件組織晶粒粗大，容易產生縮孔、縮松等缺陷；圖６ｄ中縮松、縮孔缺陷最少，說明適當增加鑄型的預熱溫度，防止了金屬液因為進入型腔后溫度突然降低而無法成形［７］，從而減少缺陷的產生，在此方案條件下，幾乎無縮松、縮孔缺陷。
４ 、結 語
預測了缸體在壓鑄時容易產生缺陷的位置。合理布置冷卻水道和溢流槽，降低壓射速度，提高鑄型預熱溫度，減少了卷氣，降低了金屬液氧化的可能性，減少了縮松、縮孔缺陷。
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