摘　要　針對氣缸缸體鑄件，建立（lì）了三維（wéi）模型，並基於ＰｒｏＣＡＳＴ對鑄造充（chōng）型和凝固過程進行了模擬，獲得了溫度場（chǎng）的變化情（qíng）況（kuàng），模擬結果顯示了鑄造缺陷的位（wèi）置（zhì）。對模（mó）擬結（jié）果進行分析，並改（gǎi）進初始工藝方案。再對改進後的方案進行數值模擬，並對不（bú）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（mó）具預（yù）熱溫度，能有效地減少縮孔、縮鬆等（děng）缺陷，提高鑄件品質，降低廢品率，縮短生產周期（qī）。

     關（guān）鍵詞（cí）　壓鑄；ＰｒｏＣＡＳＴ；缸體；數值（zhí）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，從而形成形狀複雜、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（diàn）、五（wǔ）金製品等領域。隨著計（jì）算（suàn）機技術的發展，數值模擬在鑄造（zào）過程中得到廣泛的（de）應用，可（kě）用於預（yù）測鑄造缺陷，如縮孔、縮鬆、熱裂、冷隔等，進而優化鑄造工藝，實現理想的（de）型腔填（tián）充。壓鑄過程中壓射（shè）速度、澆注溫度（dù）和模具預熱溫度等工藝參數對鑄件品質影（yǐng）響顯著。曹文炅等［２］利用數值模（mó）擬（nǐ）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（de）位置；錢（qián）進［３］通過優化澆注工藝（yì）方案等方（fāng）法，獲得球（qiú）鐵件凝固的溫（wēn）度場，進而獲得致密鑄（zhù）件。

     缸體零件結（jié）構複雜、多變，型腔和孔較多，同時具有不規（guī）則的外形和內腔。鋁合金缸（gāng）體（tǐ）因為質量輕，導熱性良好，從而使用越（yuè）來越普遍。

     本課題（tí）利用ＰｒｏＣＡＳＴ軟件模擬某公司鋁合金氣缸缸體（tǐ）的壓鑄充型和凝（níng）固過程，預測在壓鑄過程中縮（suō）孔、縮鬆等（děng）缺陷產生（shēng）的位置，分析其原（yuán）因，優化（huà）工藝案，改（gǎi）變工藝參數，從而提高（gāo）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係統模型，見（jiàn）圖１。缸（gāng）體外形尺寸為７７ｍｍ×８４ｍｍ×１５０ｍｍ，質量為０．８６８ｋｇ，澆注係統質量為０．１７４ｋｇ。直澆道選用沉入式，內澆口設置（zhì）在缸體壁厚處，可（kě）減小（xiǎo）金屬液充型時的阻力，同時也可以起到補縮作用，內（nèi）澆口數目為４個。溢流槽分布在離澆口最遠的位置（zhì）以及（jí）金屬液最後充型的位置。

                  圖１　澆注係統模型

    在ＰｒｏＣＡＳＴ的Ｍｅｓｈｃａｓｔ模（mó）塊裏對模型進行網格剖分（fèn），生成體網格。為保（bǎo）證模擬（nǐ）準確性，應保證（zhèng）圓（yuán）弧曲麵劃分合理，截麵內保證有一個以（yǐ）上的自由單元［４］。此模型生成的節點數為（wéi）１１０　３７９，單元數為５４７　３０１。

    １．２　工藝參（cān）數的確定（dìng）

    缸體材質為ＡＤＣ１２，其（qí）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（yòng）係統中預（yù）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（mó）具（jù）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（xíng）狀（zhuàng）以（yǐ）及傳熱（rè）的情況而定，邊界的傳熱情況通常用邊界傳熱係數（shù）來衡量，包括鑄件與鑄件、鑄件和（hé）鑄型環境的界麵傳熱係數兩部分（fèn）［５］。壓鑄件和模具之間存在界麵（miàn）傳熱，且屬於金（jīn）屬－金屬型傳熱。對於鋁合金壓鑄來說，界麵傳熱係數常取１　０００～２　０００Ｗ／（ｍ２·℃），本模擬取１　５００Ｗ／（ｍ２·℃）。壓鑄模（mó）擬時，主要考慮壓射速度、澆注溫度和（hé）模具預熱溫度（dù）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（wéi）１００℃，模擬（nǐ）時間總步數為（wéi）３　０００，模擬終止溫度為（wéi）５０℃。

     ２、　模擬結果與分析

     充型過程見圖２，整個充型過程時（shí）間為０．１８７ｓ。澆注係統采用的是分叉（chā）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（gǔ）金屬液流入型腔，在壓力作用下，金屬（shǔ）液一部分沿鑄（zhù）件內壁向（xiàng）上方凸台處流動，一部分向下流動，之後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，由於兩股金屬液的流（liú）動方向不同，在匯聚時易引起金屬（shǔ）液的飛濺，致使充型不平穩，且金屬液前端可能出現不同程（chéng）度的（de）氧化（huà），從而造成卷氣和氧化夾雜缺陷，見（jiàn）圖２ｃ；在兩股金屬液匯聚之後，金屬液恢複平穩，在０．１７８ｓ時（shí），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（kuàng）。由於澆注速度較大，在充型結束時（shí）型（xíng）腔內的溫度仍然接近澆注溫度７００℃。

  
　　ＡＤＣ１２合（hé）金凝固過程見圖３。充（chōng）型完（wán）成後，金屬液溫度開始（shǐ）下降，在０．３９８ｓ時（shí）開始凝固，在３１．３９ｓ時最終凝固，之後（hòu）冷卻到設定的溫度。從圖３可以看出，缸體上各部位凝固（gù）是不同步的，中間薄壁處溫（wēn）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（kuài），可能出現（xiàn）早（zǎo）期凝固現象。從圖３ａ可見，缸體上（shàng）２處的溫（wēn）度明顯高（gāo）於缸體１處（chù）的溫度，因此，１處比２處（chù）先凝固，造成２處無法由澆口處得到補縮，且４處的溫度低於（yú）３處（chù）的（de）溫度（dù），４處比３處先凝固；從圖３ｃ和圖３ｄ可見（jiàn），在ｔ＝２６．８５５ｓ和ｔ＝３６．４３５ｓ時分別處於缸（gāng）體凝固的後期和凝固剛結束的狀態（tài），此時可以看到在３、４、２、１處的溫度（dù）依次降低，３處壁（bì）最厚，冷卻速度最慢，最後凝固，且在此處（chù）並沒有設置冒口，因此在（zài）缸體的凸（tū）台處可能會出現縮鬆、縮（suō）孔缺陷。

     
  
                                    圖２　充型過程

                         圖３　ＡＤＣ１２合金凝固過（guò）程模擬

       圖４為ＡＤＣ１２合金的凝固缺陷預測（cè）。由圖４ａ可知，在充型０．１７５ｓ時（shí）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裏最後填充的地方，可見此處（chù）有明顯的卷氣，容易造成形腔（qiāng）內的空氣和金屬液的（de）氧化皮無法排出，而形成氧化夾渣。這些氧化皮可以（yǐ）通過設置（zhì）集渣包排出，以（yǐ）免使氧化皮聚集在（zài）壓鑄件的型壁（bì）上。從圖４ｂ中可以看出，鑄件的凸台和棱角處有明顯（xiǎn）的縮（suō）鬆、縮孔，且（qiě）縮鬆、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（cè）結果一致。這是由於在４個棱角和台階周圍的壁厚較薄，散熱較快，凝固速度快，致使（shǐ）凸台和棱角處得不到很好的補縮，從而造成缺陷的產生（shēng）［６，７］。

      
  
                               圖４　ＡＤＣ１２合金缺陷

　　為減少縮孔等缺陷的出現，可以采取改善澆注係統、改變工（gōng）藝參數等措施。

     ３、　工藝方（fāng）案的改進

    根據原（yuán）方案的模擬（nǐ）結果及分析可知，鑄件有明（míng）顯的縮鬆、縮孔，且主要出現在壁厚較大（dà）且（qiě）溫度過高的台階處（chù）［６］。為此（cǐ）需降低凸台和凸台周（zhōu）圍的溫度差，加快凸台和棱角處溫度的下降（jiàng）。由於原方案在冷卻（què）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（de）厚（hòu）度，從而延緩冷卻（què）時間；在缸體的４個棱角處和凸台
周圍設置冷卻水道（dào），通過高壓冷（lěng）卻水對凸台處的高溫金屬液進行冷卻，加（jiā）快金屬液溫度的下降；同時為了排出（chū）型腔內（nèi）的氣（qì）體、塗料（liào）殘渣以及增強金屬液的補縮能（néng）力，在缸體凸台處增設溢（yì）流槽和排氣槽。改進後的（de）工藝方案模型見（jiàn）圖５。以相同的工（gōng）藝（yì）參數對改進後的模型進行模擬，產生的縮孔、縮鬆缺陷見圖６ａ。

     
  
              圖５　改進工藝方案（àn）模擬

    利用改進後的工藝方（fāng）案，對不同的工藝（yì）參數進行模擬分析。設定澆注速度、澆注溫度和模具預（yù）熱（rè）溫度，方案１的３個參數分別（bié）為５ｍ／ｓ、７００℃、１００℃；方案２的３個參數分別為５ｍ／ｓ、６６０℃、１００℃；方案（àn）３的３個參數分別為５ｍ／ｓ、６６０℃、１８０℃。對３種方案進行（háng）模擬，產生的缺陷位置和大小，見圖６ｂ～圖６ｄ。

                      圖６　４種工藝縮鬆、縮孔缺陷對比圖

　　由圖６可知，由於增設（shè）冷卻水道和溢流槽，與原（yuán）工藝方案（àn）相比，缸體（tǐ）縮孔、縮鬆缺陷明顯減少。比較圖６ｂ和６ａ可知，降低（dī）壓射速度能減少縮孔、縮鬆的產生。因為（wéi）壓射速度（dù）過大，導致金屬液對型腔的衝擊（jī）加（jiā）大，使金屬液粘附在型腔內，且型（xíng）腔內的（de）空氣不易排出從而導致缺陷的產生；比較圖６ｃ與圖６ｂ，縮鬆等缺陷（xiàn）減少，說明方案２的澆注（zhù）溫度更合適，因為澆注溫度７００℃對（duì）於鋁（lǚ）合金液相線溫度（５１８ ℃）而言相（xiàng）對較高，凝固（gù）時間較長，凝固收縮較大，鑄件組織晶粒粗（cū）大，容易產（chǎn）生縮孔、縮鬆等缺陷（xiàn）；圖６ｄ中（zhōng）縮鬆、縮孔缺陷最少，說（shuō）明適當增加鑄型的預熱溫（wēn）度，防止了金屬液因為進入型腔（qiāng）後溫度（dù）突然降低而無法成形（xíng）［７］，從而減少（shǎo）缺陷的產（chǎn）生，在此（cǐ）方案條件下，幾乎無縮（suō）鬆、縮孔缺陷。

     ４　、結　語

     預測了缸體在壓鑄時容（róng）易產（chǎn）生缺陷的位置。合（hé）理布置冷（lěng）卻水道和溢流槽，降低壓射速度，提高（gāo）鑄型預熱溫度，減少（shǎo）了卷氣，降（jiàng）低了金屬液氧化的可能性，減少了縮鬆、縮孔缺陷。