原标题：压铸机活塞铸造成型的工艺优化

摘 要：通过利用数值模拟软件对压铸机活塞铸件的铸造过程进行模拟，根据模拟结果分析了活塞铸件的充型温度场和速度场、凝固过程、凝固温度场、缩孔缺陷及应变情况，从而对其铸造工艺方案进行了优化，并通过模拟结果对比分析得到了最佳铸造工艺参数。

前 言：压铸机是用于压力铸造的机器，与其配套的活塞按照规定的速度将金属液推送至压铸机的压室内，使金属液有足够的能量流经模具内浇道和内浇口，进而填充进模具型腔，随后保持一定的压力传递给正在凝固的金属液，直至形成压铸件为止。模拟仿真软件AnyCasting近些年逐渐受到铸造技术工作者的喜爱，它为铸造生产提供了极大的帮助，节省了生产时间和成本。

本文通过模拟仿真技术，对活塞铸造过程中的温度场、速度场、缩孔及应力变化进行分析，优化确定合理的铸造工艺参数，采用优化后的工艺参数和方法进行预生产，旨在避免铸件缩孔缺陷的产生，提高合格率。

1、技术要求及铸造工艺

1.1 结构及技术要求

活塞铸件外径为2 860 mm，高度为1 840 mm，三维图见图1，其中活塞外圆面不得有缩孔缺陷。

图1 活塞铸件三维图

1.2 初始铸造工艺

球墨铸铁活塞铸件采用呋喃树脂砂造型、半封闭式浇注系统，浇注系统各横截面面积的比例为：直浇道∶横浇道∶内浇道=1∶1.65∶0.96。两包浇注，两个Φ100 mm直浇道，两条130 mm×100 mm横浇道，12根Φ40 mm内浇道，8个Φ180 mm发热冒口，4个底脚四周放置专用冷铁，其余位置放置方冷铁，其工艺三维图如图2所示。铁液浇注温度在1 320~1 340 ℃，出液前静置5~8 min，铸件毛坯重量26 000 kg，浇注重量为31 000 kg，浇注后10天开箱。

图2 铸造工艺三维图

2、铸造过程有限元模拟

本研究利用有限差分法软件AnyCasting模拟活塞的铸造过程，通过仿真得出铸造成形实时过程中的金属液温度场、速度场以及应力变化情况，为实际生产提供参考。

2.1 有限元模拟参数设置

活塞铸造成形的有限元模型，通过前处理将活塞铸件划分网格，导入到有限差分法软件中进行仿真模拟。该活塞的材质为QT500，材质属性为：液相线温度1 187 ℃，固相线温度1 149 ℃，潜热52 cal/g，动态粘度0.02 P（g/cm·s），凝固收缩体积变化1.1%，表面张力1 680 N/m，传热系数：冒口与发热冒口套200 W/（㎡ ·K），铸件与发热冒口套200 W/（㎡ ·K），铸件与冷铁1 500 W/㎡ ·K，砂箱与发热冒口套200 W/（㎡ ·K），冷铁与砂箱1 000 W/（㎡ ·K）。

2.2 首次有限元模拟结果

2.2.1 充型速度场模拟

图3为充型速度场的仿真结果。从图中可以看出，金属液首先充填底部，然后往上充填，底脚为最后充填位置，经过120 s完成铸件的整体充型。通过分析云图可以得知，充型10%时，铁液底部稍有起伏，有轻微不平稳现象，速度最高为150 cm/s；充型至50%，速度有所降低，最高为128 cm/s；充型结束时，铁液速度变为平稳，最高为112 cm/s。

图3 充型速度场

2.2.2 充型温度场模拟

图4为充型温度场的仿真结果，从图中可以看出，充型至70%时，底脚最低温度为1 318 ℃，温降为12 ℃；充型至80%时，底脚侧面最低温度为1 290 ℃，温降40℃；充型90%时，底脚侧面最低温度为1 280 ℃，高于液相线温度1 187 ℃，所以充型良好。

图4 充型温度场

2.2.3 凝固过程模拟

图5为凝固过程的仿真结果，可见冒口先于底脚凝固，冒口补缩效果差，最后凝固位置如图5b所示，此处为孤立液相区。

图5 凝固过程

2.2.4 残余熔体模数模拟

图6为铸造过程中活塞残余熔体的仿真结果。残余熔体模数是预测铸造过程中可能出现缩孔缺陷位置的重要判据，模数越大的位置残余熔体越密集，发生缩孔等缺陷的概率也越高。从图中可以看出，残余熔体模数峰值分布在铸件底部，此位置较厚。

图6 残余熔体模数

在底脚对面位置有2%出现缩孔的概率，此位置为非加工面，不得有缩孔缺陷，因此有必要通过调节温度场来降低缩孔发生的概率。

2.2.5 应变模拟

图7为应变模拟结果。活塞在工作时底脚与地面接触，靠此位置支撑，要求变形量小，结果显示变形量最大为7.3 mm。

图7 应变模拟结果

凝固过程及残余熔体模数的模拟结果显示，冒口没有起到补缩作用，在底脚处有缩孔倾向。因此，在底脚处加放成形冷铁，验证是否可以解决上述问题。

2.3 末次有限元模拟结果

2.3.1 铸造工艺优化

图8为改进后的铸造工艺图，浇注系统各横截面积比为：直浇道∶横浇道∶内浇道=1∶1.65∶0.96，两包浇注，两个Φ100 mm直浇道，两条130 mm×100 mm横浇道，12根Φ40 mm内浇道，8个Φ180 mm发热冒口，在底脚侧面放置成形冷铁。浇注温度1 320~1 340 ℃，静置时间5~8 min，10天后开箱。

图8 铸造工艺优化

2.3.2 充型速度场模拟

图9为充型速度场的仿真结果。从图中可以看出，金属液首先充填底部，然后往上充填，底脚为最后充填位置，经过120 s完成铸件的整体充型。通过分析云图可以得知，充型10%时，铁液底部稍有起伏，有轻微不平稳现象，速度最高为135 cm/s；充型至50%，速度有所降低，最高为120 cm/s；充型结束时，铁液速度变为平稳，最高为100 cm/s。相比于首次，速度降低。

图9 充型速度场

2.3.3 充型温度场模拟

图10为充型温度场的仿真结果。从图中可以看出，充型至70%时，底脚最低温度为1 318 ℃，温降为12 ℃；充型至80%时，底脚侧面最低温度为1 290 ℃，温降为40 ℃；充型90%时，底脚侧面最低温度为1 270 ℃，高于液相线温度1 187 ℃，充型良好。相比于首次，底脚位置加放冷铁后温降增加。

图10 充型温度场

2.3.4 凝固过程模拟

图11为凝固过程的仿真结果。可见冒口先于底脚凝固，冒口补缩效果良好，最后凝固位置如图11b所示，此处为孤立液相区。

图11 凝固过程

2.3.5 残余熔体模数模拟

图12为铸造过程中活塞残余熔体的仿真结果。从图中可以看出，残余熔体模数面积相比于首次，明显降低，由于此位置较厚，缩孔无法完全消除，但有缩减趋势。

图12 残余熔体模数

图13为铸件毛坯照片，非加工面无缩孔缺陷，工艺合适。

图13 铸件照片

2.3.6 应变模拟

图14为应变模拟结果。应变量最大为5.0 mm，相比于首次，变形量降低。

图14 应变模拟结果

3、结束语

利用有限差分法软件模拟活塞的铸造工艺过程，对活塞的充型过程、凝固过程、缩孔及应变情况进行分析，确定了最优工艺条件：浇注系统比例为：直浇道∶横浇道∶内浇道=1∶1.65∶0.96，直浇道为2-Φ100 mm，横浇道为2-130 mm×100mm，内浇道为12-Φ40 mm，底脚三个侧面放置成形冷铁，外圆面放置冷铁，为实际生产提供参考。

通过调整冷却条件，确保了冒口进行有效补缩，降低了铸件非加工面发生缩孔的概率。经生产验证，压铸件产品合格，与模拟结果相符。

作者
刘沙
阜新市产业技术创新推广中心 阜新市产业技术研究院
李春亮 白旭东
阜新力达钢铁铸造有限公司
本文来自：《铸造》杂志