摘 要：在原铸造工艺基础上，利用德国MAGMA铸造凝固模拟分析软件，对大直径铝活塞毛坯铸件的浇注、凝固过程进行数值模拟，预测了铸件产生铸造缺陷的可能部位。根据模拟结果，对模具结构和原有铸造工艺进行改进和优化。改进后模拟效果良好，经生产验证，铸件质量明显提高，达到大幅度缩短活塞的试制周期，节约试制成本，提高产品质量的目的。
铝活塞毛坯铸造传统上采用金属型模具重力铸造成形。传统的模具和铸造工艺设计过程中，因为无法直接观察合金铝液在金属型腔内的充型过程和凝固过程，铸造工程师对铝活塞铸造模具的设计和制造，主要依靠类似产品的生产经验来设计和制造铝活塞铸造模具和铸造工艺，因而造成很多因产品结构不同而导致的模具结构设计不合理，使得铸造废品率高。同时，频繁返修模具导致铝活塞模具试制周期延长、交货期不稳定等不利因素，甚至因事前设计考虑不周，而导致整套模具报废，铸造过程重新设计的现象亦时有发生。尤其是大直径铝活塞因其批量少，模具结构复杂，相关的生产经验少，导致以上问题更加突出。因此，本研究中利用UGNX软件进行建模，用德国MAGMA模拟分析软件作为模拟分析平台，对该大直径活塞的充型凝固过程进行数值模拟，预测了可能产生的铸造缺陷，根据模拟结果对原铸造工艺及模具结构进行优化改进。以达到优化模具设计方案，改进铸造工艺，缩短模具试制周期，提高铸件质量及降低试制成本的目的。
1 优化模具设计和铸造工艺的流程
首先，根据传统的铸造工艺对大直径铝活塞进行毛坯及模具三维造型，然后把三维图型转化成“stl”文件，导入MAGMA软件并对三维造型进行网格划分，根据需要对活塞各个部位进行温度场、流动场、应力场进行参数设定并进行模拟计算。根据模拟结果找出易出现缺陷的部位，并对原铸造工艺及模具结构的合理性进一步优化，如此反复进行，直至铸造工艺达到最优，确定最后铝活塞模具设计方案和铸造工艺。
图1 三板一体加工
2 模具设计和铸造工艺方案实例
2.1 大直径活塞结构分析
以04F 大直径铝合金活塞为例， 该活塞采用BH112A亚共晶铝硅合金材料，直径Φ240 mm，第一环槽镶铸耐磨铁圈，活塞顶部厚大，裙部壁厚不均匀，内腔结构复杂。该活塞铸造难度不大，但客户对产品铸造质量要求较高。该活塞三维实体模型如图1。
图2 模具配装图
2.2 活塞模具设计和铸造工艺方案分析
在传统的铸造工艺设计过程中，只能根据以往的设计经验和同类相似产品的铸造工艺作参考来进行铸造模具和工艺设计。结合目前我公司铸造机的特点，决定采用顶朝上式的铸造方式。由于该活塞顶部厚大，所以在活塞顶部厚大处会产生热节，必须在热节处增设保温冒口进行有效补缩，防止铸造缺陷的产生；同时由于活塞裙部与内销座过渡处壁厚差别较大，在此处采用强制水冷的方式，增加销座壁厚处的冷却速度，以期得到顺序凝固的理想效果。模具装配图见图2。
图3 网络划分
图4 冲型过程模拟计算
2.3 利用MAGMA软件的模拟分析
将模具模型导入到MAGMA软件中进行网格划分，具体的网格剖分见图3。因该活塞顶部厚大，销座处与活塞裙部壁厚差别很大，容易形成热节，为了保证合金铝液在模具型腔内实现顺序凝固，所以采用顶部设置冒口进行补缩，销座处进行局部冷却。同时在活塞顶部、冒口根处及销座上设定冷却点，以此来验证活塞上的热节位置。按照顺序凝固的原理进行模具热传导系数的设定，然后进行模拟分析。模拟分析过程主要是模拟计算铸件充型过程及凝固过程，对模拟结果进行存储并计算出分析结果。图4是充型过程模拟计算。
图5 缩孔模拟分析结果
2.4 模拟结果分析
通过对冷却点温度曲线的分析，可以看出活塞顶部的温度最高，是最后凝固的部位，因此在活塞顶部设定冒口的工艺方案是合理的。运用缩孔判据对模拟结果进行分析，在毛坯内腔有加强筋的位置产生大量的缩松缺陷，这主要是加强筋处厚度较厚，与内腔壁过渡的部位易产生热节。由于顶冒口的铝液距离缺陷的部位较远，不能对缺陷处进行有效的补缩。为此，我们必须在加强筋出现缺陷的部位设置冒口对该处的热节进行补缩。缩孔模拟结果照片具体见图5。
图6 改进后活塞热节模拟结果
图7 改进后活塞凝固时间模拟结果
2.5 对模具结构及铸造工艺进行优化
根据以上的分析结果，我们对模具结构及铸造工艺进行优化设计，结合原有模具结构和铸造工艺，在加强筋出现铸造缺陷的部位增加暗冒口及补缩带，消除热节的同时对缩松缺陷起到良好的补缩。另一方面，对铸造工艺参数进行调整，加快外模的冷却速度，确保过热的部位能得到有效补缩，从而实现顺序凝固。将改进后模具模型重新导入到MAGMAsoft软件中再次进行模拟分析。通过热节判据、凝固时间判据及缩孔判据对改进后的模拟结果进行分析。根据分析结果可知（图6、图 7），改进后的模具结构及铸造工艺完全解决了在活塞内加强筋处产生的缩孔缺陷，从而获得良好的铸造毛坯。
图8 原工艺生产的活塞铸件外圆缺陷
图9 原工艺生产的活塞铸件断面剖析后缺陷
图10 改进后生产的活塞铸件外圆
图11 改进后生产的活塞铸件断面剖切
3 生产验证
按照原模具结构及工艺浇注活塞铸件并对其进行宏观检验，铸件上产生缩松缺陷的位置同MAGMA软件模拟分析的部位一致，都在活塞裙部与止口附近加强筋过渡处。该缺陷的存在，严重影响了活塞的强度，具体见图8和图9所示。按改进后的模具结构及工艺进行浇注活塞铸件并进行宏观检验，铸件上不存在任何铸造缺陷，得到合格的铸件，与MAGMA模拟分析的结果一致。具体见图10及图11。通过模拟分析，可确保模具试模一次成功，缩短了试模周期，节约了试模成本，提高了产品的交付率。铝活塞毛坯铸造传统上采用金属型模具重力铸造成形。传统的模具和铸造工艺设计过程中，因为无法直接观察合金铝液在金属型腔内的充型过程和凝固过程，铸造工程师对铝活塞铸造模具的设计和制造，主要依靠类似产品的生产经验来设计和制造铝活塞铸造模具和铸造工艺，因而造成很多因产品结构不同而导致的模具结构设计不合理，使得铸造废品率高。同时，频繁返修模具导致铝活塞模具试制周期延长、交货期不稳定等不利因素，甚至因事前设计考虑不周，而导致整套模具报废，铸造过程重新设计的现象亦时有发生。尤其是大直径铝活塞因其批量少，模具结构复杂，相关的生产经验少，导致以上问题更加突出。因此，本研究中利用UGNX软件进行建模，用德国MAGMA模拟分析软件作为模拟分析平台，对该大直径活塞的充型凝固过程进行数值模拟，预测了可能产生的铸造缺陷，根据模拟结果对原铸造工艺及模具结构进行优化改进。以达到优化模具设计方案，改进铸造工艺，缩短模具试制周期，提高铸件质量及降低试制成本的目的。