大型鋁合金發動機殼體低壓鑄造充型速度研究

陳元芳，關國華，江華德，湯 萌，袁親松

(1.重慶理工大學，重慶 400054;2.重慶高金實業有限公司，重慶 400054)

本文的研究對象是由重慶高金實業有限公司提供的型號為K50的一種大型發動機殼體，主要應用于船體和大型重載汽車中，屬于半封閉耐壓殼體。該部件的材質為A356，屬于日系鋁合金，為AI－SI合金、A356鋁合金。由于該材料具有充型質量好、機械加工性能高、強度和硬度較高等特點被廣泛應用于汽車和輪船零部件制造領域。K50外形尺寸為1000 mm×320 mm×568 mm，體積為7022564 mm3，平均壁厚為6 mm，屬于大型薄壁鋁合金鑄造件，故壓鑄工藝采用砂型低壓鑄造，有利于工件成型且容易控制缺陷產生。相比重力金屬型鑄造，采用低壓鑄造的材料在壓力下充型和結晶凝固，可改善鑄件內部質量，提高產品生產率，降低生產成本［1－7］。該技術目前處于試模研究階段。本文將對充型速度進行研究，最后確定最佳充型速度。

1 鑄造成型數值模擬

1.1 模擬前處理參數設定

將模具系統中的鑄件、澆道和溢流槽分別導入anyPRE中，利用其自動生成模具進行數值模擬。本文中由于K50殼體結構復雜，壁較薄且不均勻，故采用非均勻網格劃分。為保證模擬精度，確定網格數為15000000。模具材料為H13鋼。H13是美國的合金牌號，為常用的熱作模具鋼。模具預熱溫度為200℃，澆注溫度為670℃，界面換熱系數設定為:與模具接觸為0.001;與空氣接觸為0.05。本文針對充型速度，將其分別設置為5，7，10，15，20 cm/s進行模擬比較。

1.2 鑄件充型和凝固過程的數值模擬

金屬液的充型過程在整個模擬過程中是非常重要的環節。鑄件的很多缺陷都可能在充型過程中產生，例如金屬液填充型腔的狀態是否良好，是否存在大量的卷氣、渦流、澆不足等鑄造缺陷［8－11］。同樣，在金屬液凝固過程中也會因鑄件的凝固先后順序或孤立液相區的出現導致鑄件無法充分補縮而出現的縮孔縮松。這些缺陷都會對鑄件造成致命傷害，極大地降低成品率。圖1～3是在充型速度為15 cm/s時的模擬結果。

圖1 充型過程

由圖1～3可知:充型過程基本平穩，缺陷大多產生于流道匯流處，極易出現卷氣現象，進而出現氧化夾雜等缺陷;凝固過程則產生較多缺陷，由于充型速度控制不當，導致凝固沒有按照基本的順序進行，在殼體上端出現大片灰色區域。經分析得知:此缺陷主要是縮孔和縮松，產生的主要原因是在凝固過程中沒有得到充分補縮。

圖2 凝固過程

圖3 缺陷概率參數

2 模擬結果分析

充型速度作為基本的工藝參數，對鑄件質量起著至關重要的作用。充型速度過小會造成金屬液在充型過程中的溫度下降速度過快，出現金屬液還未充型型腔的時候金屬液就開始凝固，鑄件會產生大量的液相孤立區和縮孔縮松缺陷;而速度過快則會出現大量的卷氣和氧化夾雜，同樣會對鑄件造成巨大傷害［12－15］。

圖4 充型時間隨充型速度的變化

圖5 凝固率隨充型時間的變化

圖6 缺陷面積隨充型速度的變化

由圖4可知:隨著充型速度的提高，充型時間不斷減少，但速度超過10 cm/s后，再提高充型對充型時間影響不大。由圖5可知:充型速度小于10 cm/s時，充型過程中存在大量凝固現象，會導致充型過后孤立液相區大大增加，不利于鑄件補縮，產生大量的縮孔縮松現象。但由圖6的趨勢可以看到:充型速度越快，越易出現充不滿的情況，殘缺面積隨著速度的增大而增大。

綜上可知:充型速度不是越大越好，也不是越小越好，要提高產品成品率和最大限度地提高生產效率，就必須合理地控制充型速度。

由模擬結果(圖7～9)可知:充型速度在10 cm/s時，充型和凝固過程最為理想。但由概率缺陷參數分析可知:在充型過程中仍存在大量的結晶凝固，故建議在模具中加裝保溫裝置，保證金屬液在充型過程中不進行過多的溫度耗散，保證金屬液在流動過程中溫度始終大于液相線溫度，避免出現過早凝固的現象。

圖7 充型過程

圖8 凝固過程

圖9 概率缺陷參數

3 結論

本次模擬主要基于ANYCASTING中的ANYPSOT模塊，對K50的充型凝固過程進行數值模擬，重點研究了充型速度對鑄件的影響。結果表明:在模具預熱溫度為200℃，澆注溫度為670℃，界面換熱系數設定為與模具接觸為0.001，與空氣接觸為0.05的情況下，較為合理的充型速度是10 cm/s。

1)在充型速度較小的時候(5 cm/s)，金屬液充型平穩，基本上不存在卷氣的現象。金屬液充型表面基本上一直保持平穩直到充型結束，但在充型過程中出現了大量的結晶凝固現象。

2)隨著充型速度的增大(10 cm/s)，充型過程中的凝固現象顯著減少，但由于充型速度過快，導致充型不平穩、卷氣增加、充不滿等現象出現。

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