理论与实践：基于ProCAST的铝合金缸体压铸工艺数值模拟

    随着计算机技术的发展，数值模拟在铸造过程中得到广泛的应用，可用于预测铸造缺陷，如缩孔、缩松、热裂、冷隔等，进而优化铸造工艺，实现理想的型腔填充。压铸过程中压射速度、浇注温度和模具预热温度等工艺参数对铸件品质影响显著。曹文炅等利用数值模拟技术对船用柴油机活塞同时凝固工艺进行模拟，准确反映了热节产生的位置；钱进通过优化浇注工艺方案等方法，获得球铁件凝固的温度场，进而获得致密铸件。

  缸体零件结构复杂、多变，型腔和孔较多，同时具有不规则的外形和内腔。铝合金缸体因为质量轻，导热性良好，从而使用越来越普遍。

    本课题利用ProCAST软件模拟某公司铝合金气缸缸体的压铸充型和凝固过程，预测在压铸过程中缩孔、缩松等缺陷产生的位置，分析其原因，优化工艺方案，改变工艺参数，从而提高铸件品质。

1  模拟前处理

1.1  模型的建立

    利用三维软件建立浇注系统模型，见图1。缸体外形尺寸为77 mm×84 mm×150 mm，质量为0.868 kg，浇注系统质量为0. 174 kg。直浇道选用沉入式，内浇口设置在缸体壁厚处，可减小金属液充型时的阻力，同时也可以起到补缩作用，内浇口数目为4个。溢流槽分布在离浇口最远的位置以及金属液最后充型的位置。

    在ProCAST的Meshcast模块里对模型进行网格剖分，生成体网格。为保证模拟准确性，应保证圆弧曲面划分合理，截面内保证有一个以上的自由单元。此模型生成的节点数为110 379，单元数为547 301。

1.2  工艺参数的确定

    缸体材质为ADC12，其热物性参数见表1。其液相线温度为580℃，固相线温度为518℃。需用系统中预期成分接近的A356合金。模拟试验中，选用H13钢作为模具材料，模具与外界的传热一般设置为空冷。

    边界条件要根据边界的形状以及传热的情况而定，边界的传热情况通常用边界传热系数来衡量，包括铸件与铸件、铸件和铸型环境的界面传热系数两部分。压铸件和模具之间存在界面传热，且属于金属一金属型传热。对于铝合金压铸来说，界面传热系数常取1 000～

2 000 W/（m2·℃），本模拟取1 500 W/(m2·℃)。压铸模拟时，主要考虑压射速度、浇注温度和模具预热温度这3个工艺参数。本课题采用的压射速度为10 m/s，浇注温度为700℃，模具预热温度为100℃，模拟时间总步数为3 000，模拟终止温度为50。C。

2  模拟结果与分析

    充型过程见图2，整个充型过程时间为0. 187 s。浇注系统采用的是分叉式浇道。0. 007 6 s时，中间两股金属液从横浇道经过内浇口注入模具的型腔，见图2a;在0.039 s时，另外两股金属液流入型腔，在压力作用下，金属液一部分沿铸件内壁向上方凸台处流动，一部分向下流动，之后两股金属液平稳的向型腔底部汇聚，见图2b;在0.137 s时，两股金属液即将汇聚，由于两股金属液的流动方向不同，在汇聚时易引起金属液的飞溅，致使充型不平稳，且金属液前端可能出现不同程度的氧化，从而造成卷气和氧化夹杂缺陷，见图2c;在两股金属液汇聚之后，金属液恢复平稳，在0. 178 s时，最终金属液将充满溢流槽，见图2d。在整个过程中，没有产生浇不足的情况。由于浇注速度较大，在充型结束时型腔内的温度仍然接近浇注温度700℃。

    ADC12合金凝固过程见图3。充型完成后，金属液温度开始下降，在0. 398 s时开始凝固，在31. 39 s时最终凝固，之后冷却到设定的温度。从图3可以看出，缸体上各部位凝固是不同步的，中间薄壁处温度下降较快，首先凝固，且横浇道和内浇口温度下降较铸件快，可能出现早期凝固现象。从图3a可见，缸体上2处的温度明显高于缸体l处的温度，因此，1处比2处先凝固，造成2处无法由浇口处得到补缩，且4处的温度低于3处的温度，4处比3处先凝固；从图3c和图3d可见，在t=26. 855 s和t-36. 435 s时分别处于缸体凝固的后期和凝固刚结束的状态，此时可以看到在3、4、2、1处的温度依次降低，3处壁最厚，冷却速度最慢，最后凝固，且在此处并没有设置冒口，因此在缸体的凸台处可能会出现缩松、缩孔缺陷。

    图4为ADC12合金的凝固缺陷预测。由图4a可知，在充型0. 175 s时压铸件出现氧化夹渣处的充型情况，椭圆位置标注的是金属液在缸体里最后填充的地方，可见此处有明显的卷气，容易造成形腔内的空气和金属液的氧化皮无法排出，而形成氧化夹渣。这些氧化皮可以通过设置集渣包排出，以免使氧化皮聚集在压铸件的型壁上。从图4b中可以看出，铸件的凸台和棱角处有明显的缩松、缩孔，且缩松、缩孔主要出现在缸体的4个棱角的壁厚最大处，与上述预测结果一致。这是由于在4个棱角和台阶周围的壁厚较薄，散热较快，凝固速度快，致使凸台和棱角处得不到很好的补缩，从而造成缺陷的产生。

    为减少缩孔等缺陷的出现，可以采取改善浇注系统、改变工艺参数等措施。

3  工艺方案的改进

    根据原方案的模拟结果及分析可知，铸件有明显的缩松、缩孔，且主要出现在壁厚较大且温度过高的台阶处。为此需降低凸台和凸台周围的温度差，加快凸台和棱角处温度的下降。

    由于原方案在冷却时出现内浇口和横浇道先冷却的现象，因此，对内浇口和横浇口进行改进，增加浇道的厚度，从而延缓冷却时间；在缸体的4个棱角处和凸台周围设置冷却水道，通过高压冷却水对凸台处的高温金属液进行冷却，加快金属液温度的下降；同时为了排出型腔内的气体、涂料残渣以及增强金属液的补缩能力，在缸体凸台处增设溢流槽和排气槽。改进后的工艺方案模型见图5。以相同的工艺参数对改进后的模型进行模拟，产生的缩孔、缩松缺陷见图6a。

    利用改进后的工艺方案，对不同的工艺参数进行模拟分析。设定浇注速度、浇注温度和模具预热温度，方案1的3个参数分别为5 m/s、700℃、100℃；方案2的3个参数分别为5 m/s、660℃、100℃；方案3的3个参数分别为5  m/s、660℃、180℃。对3种方案进行模拟，产生的缺陷位置和大小，见图6b～图6d。

    由图6可知，由于增设冷却水道和溢流槽，与原工艺方案相比，缸体缩孔、缩松缺陷明显减少。比较图6b和6a可知，降低压射速度能减少缩孔、缩松的产生。因为压射速度过大，导致金属液对型腔的冲击加大，使金属液粘附在型腔内，且型腔内的空气不易排出从而导致缺陷的产生；比较图6c与图6b，缩松等缺陷减少，说明方案2的浇注温度更合适，因为浇注温度700。C对于铝合金液相线温度(518℃)而言相对较高，凝固时间较长，凝固收缩较大，铸件组织晶粒粗大，容易产生缩孔、缩松等缺陷；图6d中缩松、缩孔缺陷最少，说明适当增加铸型的预热温度，防止了金属液因为进入型腔后温度突然降低而无法成形，从而减少缺陷的产生，在此方案条件下，几乎无缩松、缩孔缺陷。

4  结  语

预测了缸体在压铸时容易产生缺陷的位置。合理布置冷却水道和溢流槽，降低压射速度，提高铸型预热温度，减少了卷气，降低了金属液氧化的可能性，减少了缩松、缩孔缺陷。

5摘要

针对气缸缸体铸件，建立了三维模型，并基于ProCAST对铸造充型和凝固过程进行了模拟，获得了温度场的变化情况，模拟结果显示了铸造缺陷的位置。对模拟结果进行分析，并改进初始工艺方案。再对改进后的方案进行数值模拟，并对不同浇注参数进行模拟分析。结果表明，降低压射速度和提高模具预热温度，能有效地减少缩孔、缩松等缺陷，提高铸件品质，降低废品率，缩短生产周期。