 摘要：利用Magma軟件，對(duì)某款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金前蓋的澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)進(jìn)行充型及凝固過(guò)程的數(shù)值模擬。通過(guò)分析模擬結(jié)果，提出了壓鑄工藝優(yōu)化方案；并再次模擬了優(yōu)化后的充型與凝固過(guò)程，分析了溫度場(chǎng)變化、氣壓變化及凝固情況，初步驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性。同時(shí)，針對(duì)鑄件局部溫度過(guò)高、冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，采用高壓點(diǎn)冷等方式加快局部區(qū)域冷卻速度，提高了鑄件質(zhì)量。最后通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)，驗(yàn)證了澆排系統(tǒng)等工藝設(shè)計(jì)的合理性。 隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，出于車身輕量化要求，零部件越來(lái)越多地采用輕質(zhì)合金材料。鋁合金（如鋁硅系列合金）具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、摩擦性能好等特點(diǎn)，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、變速箱殼體等鑄件中得到廣泛使用。本課題采用Magma軟件，對(duì)某家用轎車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金前蓋的充填和凝固過(guò)程進(jìn)行分析；通過(guò)分析數(shù)值模擬的結(jié)果，提出了壓鑄工藝優(yōu)化方案，為類似產(chǎn)品的生產(chǎn)提供參考。 1.鑄件模型及材料 1.1 鑄件模型 發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋外形尺寸約為470 mm×310 mm×105 mm ，產(chǎn)品質(zhì)量約為3.4 kg，主體平均壁厚為3.3 mm，壁厚最大處達(dá)到26 mm（線框標(biāo)注部位為壁厚較厚部分）。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部分布有相當(dāng)數(shù)量的螺栓孔和加強(qiáng)筋；且鑄件壁厚相差非常大，壓鑄過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成致密度不均，導(dǎo)致鑄件變形、縮孔和縮松等問(wèn)題。鑄件產(chǎn)品模型見(jiàn)圖1。
圖1：鑄件模型 1.2 鑄件材料 發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋要求力學(xué)性能好、致密度高，不允許出現(xiàn)裂紋、縮松、氣孔、縮孔等內(nèi)部缺陷。基于以上工作環(huán)境和要求，選用AlSi9Cu3 鋁合金，其具有流動(dòng)性較好，優(yōu)良的壓鑄性能。表1為其化學(xué)成分和力學(xué)性能。
表1：AlSi9Cu3合金的化學(xué)成分與力學(xué)性能 2.初始?jí)鸿T工藝方案 2.1初始澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬設(shè)計(jì)2路分支，共6路內(nèi)澆道進(jìn)料，見(jiàn)圖2。鋁合金液從澆口杯導(dǎo)入直澆道，再通過(guò)2路分支進(jìn)入6路內(nèi)澆口，最終進(jìn)入型腔充填。
圖2：初始方案 2.2工藝參數(shù)的確定
鑄件材質(zhì)為AlSi9Cu3，模具選用DIEVAR，根據(jù)兩種材料的物理特性，結(jié)合壓鑄工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)計(jì)算，確定了如下壓鑄工藝參數(shù)：鑄件初始溫度為670℃，模具初始溫度為180℃；鑄件質(zhì)量為3.4 kg，澆注系統(tǒng)質(zhì)量為2 kg，排溢系統(tǒng)質(zhì)量為850g，總質(zhì)量為6.25 kg。鑄件投影面積為1 196 cm2，總投影面積為1 554 cm2；選取壓射比壓為60MPa，安全系數(shù)選擇1.2。 沖頭直徑選用100 mm ，低速壓射速度為0.2 m/s，高速壓射速度為3.5m/s，料筒總長(zhǎng)為780mm ，充填率約為38 %；根據(jù)理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合估算充填時(shí)間約為0.07 s，推算出內(nèi)澆口面積約700 mm2，內(nèi)澆口厚度選用2.2 mm。 核算充填速度，根據(jù) V沖/Vg為充填速度；V沖為沖頭壓射速度；Vg =39 m/s，不同壁厚對(duì)應(yīng)的內(nèi)澆口速度范圍見(jiàn)表2。可知充填速度在合理范圍內(nèi)。 2.3初擬方案模擬分析 為了解鑄件在鑄造過(guò)程中的充填與凝固情況，采用Magma軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，見(jiàn)圖3。可以看出，整個(gè)型腔的充填時(shí)間約為0.076 s，金屬液進(jìn)入型腔初期充填速度較快，中間區(qū)域充填速度明顯快于兩側(cè)，充填中期，金屬液逐漸進(jìn)入壁厚較厚區(qū)域，此時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，壁厚較厚區(qū)域充填相對(duì)緩慢，容易產(chǎn)生滯氣現(xiàn)象，待該區(qū)域充填完畢，由于溫度較高，凝固時(shí)間較長(zhǎng)，極易出現(xiàn)氣孔、縮孔等內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題。
圖3：初擬方案充填過(guò)程模擬 3. 壓鑄工藝優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.1澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 針對(duì)壁厚較厚區(qū)域充填相對(duì)緩慢的問(wèn)題，為保證鑄件質(zhì)量，使其成形過(guò)程中各區(qū)域充填速度基本一致，擬對(duì)壁厚較厚區(qū)域增加2路澆口進(jìn)料，加快該區(qū)域的充填速度，使整個(gè)充填過(guò)程更加平穩(wěn)、順暢，更加有利于氣體的排除，避免縮孔、縮松等缺陷的發(fā)生。圖4為優(yōu)化方案，線框部分為增加進(jìn)料的2路澆口。由于該澆口位置距離鑄件底部落差較大，為使該區(qū)域進(jìn)料順利，在此處澆口部位增設(shè)一滑塊，見(jiàn)圖5，以保證鋁液較好地充填該區(qū)域。
圖4：優(yōu)化方案
圖5：滑塊設(shè)置 3.2優(yōu)化方案模擬分析 為檢驗(yàn)優(yōu)化方案的充填效果和凝固情況，再次進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察優(yōu)化方案的充填與凝固過(guò)程。模擬過(guò)程從充填溫度場(chǎng)變化、氣壓變化、凝固情況等方面進(jìn)行了分析。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，整個(gè)型腔充填過(guò)程約為0.071 s，與理論估算值非常接近。充填過(guò)程中，鋁液推進(jìn)較為平穩(wěn)，速度基本達(dá)到一致；型腔內(nèi)氣體排放順暢，氣壓較為平穩(wěn)，在風(fēng)險(xiǎn)控制范圍內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的滯氣與卷氣現(xiàn)象。在凝固過(guò)程中，除壁厚較厚的區(qū)域冷卻凝固較慢，其他區(qū)域凝固冷卻基本較為均勻理想。
(a)充填溫度 (b)氣壓分布 (c)凝固情況 圖6：優(yōu)化方案充填及凝固情況模擬 4. 局部區(qū)域冷卻方案 4.1高壓點(diǎn)冷技術(shù) 高壓點(diǎn)冷技術(shù)近年來(lái)在壓鑄行業(yè)得到了越來(lái)越多地應(yīng)用。通過(guò)高壓點(diǎn)冷機(jī)將冷卻水調(diào)節(jié)到理想的壓力狀態(tài)，通過(guò)相應(yīng)的管道快速?gòu)哪＞邇?nèi)通過(guò)，達(dá)到降溫的目的。由于在此過(guò)程中型芯冷卻速度快，縮孔不會(huì)在型芯位置附近形成，因此，使用高壓點(diǎn)冷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模具熱平衡，有效改善局部氣孔缺陷，大大提高模具壽命，減少型芯的更換和翻修率，并使鑄件的質(zhì)量得到了更好地保證。 4.2局部區(qū)域高壓點(diǎn)冷 針對(duì)數(shù)值模擬分析過(guò)程中，壁厚較厚部分冷卻凝固較慢的情況，考慮采用高壓點(diǎn)冷對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行快速冷卻，以保證鑄件質(zhì)量。通過(guò)對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)分析，擬對(duì)線框內(nèi)3處型芯內(nèi)部做高壓點(diǎn)冷；同時(shí)，對(duì)新增滑塊的2處型芯內(nèi)部做高壓點(diǎn)冷，提高孔的內(nèi)部質(zhì)量。采用高壓點(diǎn)冷處的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖7。
圖7：高壓點(diǎn)冷處結(jié)構(gòu)示意圖 5. 模具開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)試制 根據(jù)優(yōu)化的工藝方案開(kāi)發(fā)了壓鑄模具，并進(jìn)行了生產(chǎn)試制。試生產(chǎn)在DCC1250T臥式壓鑄機(jī)上進(jìn)行，模具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8，試模初始溫度為180 ℃。試制過(guò)程中，隨著壓射進(jìn)行，在低速壓射階段，鋁液經(jīng)過(guò)直澆道進(jìn)入橫澆道，再由內(nèi)澆口平穩(wěn)進(jìn)入型腔，迅速進(jìn)入高速壓射階段，待充型完畢再針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高壓點(diǎn)冷，使鑄件各部分的凝固時(shí)間基本達(dá)到一致。圖9為試制的產(chǎn)品照片，可見(jiàn)鑄件表面光潔、輪廓清晰、內(nèi)孔質(zhì)量好，無(wú)明顯缺陷。對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了氣密性測(cè)試與力學(xué)性能檢測(cè)。經(jīng)檢驗(yàn)，產(chǎn)品的合格率達(dá)到了96%，測(cè)試結(jié)果滿足性能要求。
6. 結(jié)論 （1）利用Magma軟件，對(duì)某款家用轎車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金前蓋的澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)進(jìn)行充填及凝固過(guò)程的數(shù)值模擬，通過(guò)模擬分析，找出對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，提出了壓鑄工藝優(yōu)化方案。 （2）在確定相關(guān)壓鑄工藝參數(shù)后，再次模擬了優(yōu)化后的充填與凝固過(guò)程，分析了溫度場(chǎng)變化、氣壓變化及凝固情況，初步驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性。 （3）針對(duì)鑄件局部溫度過(guò)高、冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，采用高壓點(diǎn)冷等方式加快局部區(qū)域冷卻速度，提高鑄件質(zhì)量。
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