俎訓(xùn)龍，張屹林，崔艷兵，王海濤

1. 概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，鑄造過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)（CAE）日臻成熟，為鑄造行業(yè)提供了一種新的工具和解決問題的途徑，這項(xiàng)技術(shù)能幫助工程師優(yōu)化鑄造工藝、改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到縮短試制周期、提高鑄件質(zhì)量及降低成本的目的。鋁活塞毛坯傳統(tǒng)上采用金屬型重力鑄造成形，即將一定溫度的鋁合金液澆注到一定溫度的金屬型型腔內(nèi)，經(jīng)過一定的時(shí)間，鋁合金液在金屬型中冷卻并凝固，從而在金屬型腔內(nèi)形成活塞鑄件，包括了許多對(duì)鑄件品質(zhì)產(chǎn)生重要影響的物理化學(xué)過程和現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的金屬型和鑄造工藝設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)闊o(wú)法直接觀察鋁合金液在金屬型腔內(nèi)的充型過程和凝固過程，鑄造工程師對(duì)鋁活塞鑄造金屬型的設(shè)計(jì)和制造，主要依靠類似產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)鋁活塞鑄造金屬型和鑄造工藝，因而造成很多產(chǎn)品因結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致金屬型設(shè)計(jì)不合理，使得鑄造廢品率居高不下。同時(shí)，頻繁返修金屬型導(dǎo)致鋁活塞金屬型試制周期延長(zhǎng)、交貨期不能保證，甚至因事前設(shè)計(jì)考慮不周，導(dǎo)致整套金屬型報(bào)廢，鑄造過程重新設(shè)計(jì)的現(xiàn)象也層出不窮。因此，迫切需要引入一種可以對(duì)鋁活塞充型過程和凝固過程等進(jìn)行數(shù)值分析的計(jì)算機(jī)軟件工具來(lái)克服此種困難。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的成功開發(fā)，為鑄造工程師的設(shè)想提供了可能。通過對(duì)鋁合金液凝固過程中各種數(shù)據(jù)的計(jì)算和模擬，可以提前發(fā)現(xiàn)鑄件的缺陷部位，并采取相應(yīng)措施改進(jìn)鑄造金屬型的設(shè)計(jì)和鑄造工藝，再利用CAD/CAM技術(shù)，提高鋁活塞鑄造金屬型和工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低鋁活塞的生產(chǎn)制造成本。

2. 優(yōu)化活塞金屬型設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)基本流程

鋁活塞新產(chǎn)品金屬型開發(fā)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較特殊的產(chǎn)品，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和制造的金屬型，生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)縮松、夾渣以及熱應(yīng)力集中導(dǎo)致的熱裂等報(bào)廢現(xiàn)象，迫使鑄造工程師頻繁改動(dòng)金屬型，從而延長(zhǎng)金屬型制造周期，引起客戶抱怨。MAGMAsoFt鑄造模擬分析軟件的引進(jìn)，使傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，大大提高了模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了活塞鑄件試制周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)制造成本。利用MAGMAsoFt鑄造CAE軟件優(yōu)化鋁活塞金屬型設(shè)計(jì)是以傳統(tǒng)的鑄造工藝?yán)碚摓榛A(chǔ)，利用傳熱學(xué)、流體學(xué)和數(shù)值分析理論，通過對(duì)鋁合金液在金屬型型腔內(nèi)流動(dòng)、凝固的物理過程中流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等的計(jì)算，使用各種結(jié)果判據(jù)，模擬出活塞鑄件的缺陷部位，采用相應(yīng)措施改進(jìn)鑄造金屬型的結(jié)構(gòu)和鑄造工藝，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)對(duì)鑄造工藝進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

圖1是鑄造模擬軟件優(yōu)化鋁活塞金屬型設(shè)計(jì)的流程。

首先，根據(jù)傳統(tǒng)的類似結(jié)構(gòu)金屬型對(duì)鋁活塞進(jìn)行毛坯、澆注系統(tǒng)及金屬型三維造型，然后把三維圖型轉(zhuǎn)化成“stl”文件，導(dǎo)入MAGMAsoFt軟件并對(duì)三維造型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)類似活塞工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定并進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)模擬結(jié)果找出易出現(xiàn)缺陷的部位，并對(duì)原鑄造工藝及金屬型結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)一步優(yōu)化，如此反復(fù)進(jìn)行，直至活塞澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和鑄造工藝達(dá)到最優(yōu)，確定最后鋁活塞金屬型設(shè)計(jì)方案和鑄造工藝。

3. 幾種常用的判據(jù)分析

鑄造過程的缺陷分析主要是通過MAGMAsoFt凝固模擬分析軟件提供的幾種缺陷判據(jù)進(jìn)行缺陷判斷的，常用的幾種缺陷判據(jù)有凝固時(shí)間判據(jù)、熱節(jié)判據(jù)、熱模數(shù)判據(jù)、液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間判據(jù)、溫度場(chǎng)判據(jù)、氣壓判據(jù)及縮孔率判據(jù)。

（1）凝固時(shí)間判據(jù) 通過該活塞模擬完后的凝固時(shí)間判據(jù)（見圖2），可以得出該活塞從澆注鋁液到完全凝固所用的時(shí)間是85s，為日后活塞生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，能使得工藝設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，減少不必要的時(shí)間浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。

（2）熱節(jié)判據(jù) 該判據(jù)可以反映出整體鑄件熱節(jié)產(chǎn)生的部位，根據(jù)模擬結(jié)果判斷熱節(jié)產(chǎn)生的部位，及時(shí)采取措施修改金屬型設(shè)計(jì)方案，通過圖3可以看出，該鑄件的熱節(jié)就在活塞頂部厚大處，因此為頂部厚大處設(shè)計(jì)的保溫冒口對(duì)活塞鑄件起到了良好的補(bǔ)縮作用。

（3）熱模數(shù)判據(jù) 該判據(jù)可以分析活塞頂冒口大小是否合理，有效控制活塞頂冒口的直徑，如果冒口設(shè)計(jì)太小，冒口起不到有效的補(bǔ)縮所用，易產(chǎn)生燃燒室縮松，反之如果冒口設(shè)計(jì)太大，活塞凝固時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)，降低生產(chǎn)效率，同時(shí)浪費(fèi)鋁液。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，活塞頂冒口的熱模數(shù)比在1.05～1.3之間最為合理，通過圖4可以看出，熱模數(shù)比=1.488÷1.37=1.09，說明頂冒口大小設(shè)計(jì)是合理的。

（4）液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間判據(jù) 該判據(jù)體現(xiàn)出鋁液在凝固過程中各個(gè)部位的凝固時(shí)間。通過圖5可以看出，在活塞裙部與內(nèi)銷座處，鋁液的凝固時(shí)間不同，活塞裙部較薄處先凝固，銷座較厚處后凝固，即鋁液的凝固基本為順序凝固。

（5）溫度場(chǎng)判據(jù) 該判據(jù)通過對(duì)活塞毛坯溫度場(chǎng)和活塞模具溫度場(chǎng)的分析，判斷活塞及模具在凝固過程中各個(gè)部位的溫度變化情況，是否符合順序凝固的規(guī)則，同時(shí)對(duì)于模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)有一定的指導(dǎo)作用。通過圖6、圖7可以看出，無(wú)論是鑄件還是金屬型的溫度場(chǎng)都反映出溫度從下到上溫度逐次增高，因此為了提高生產(chǎn)效率，需要在溫度較高處進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

（6）氣壓判據(jù) 通過該判據(jù)可以判斷鋁液在充型過程是否產(chǎn)生卷氣，以及各部位的氣壓情況。如圖8所示，在活塞頂面部位易產(chǎn)生窩氣，在金屬型設(shè)計(jì)時(shí)要提前考慮設(shè)氣塞進(jìn)行排氣。

（7）縮孔率判據(jù) 該判據(jù)可反映出鑄件產(chǎn)生縮孔缺陷的大小及分布位置，以提前預(yù)測(cè)易產(chǎn)生縮松缺陷的位置，采取措施優(yōu)化金屬型設(shè)計(jì)方案。如圖9所示，說明澆道過橋部位及銷座下方易產(chǎn)生縮松缺陷。

4. 結(jié)語(yǔ)

在鋁活塞鑄造生產(chǎn)中，通過充填過程、凝固時(shí)間、熱節(jié)及模數(shù)計(jì)算、凝固過程、溫度場(chǎng)等的模擬分析，可在鑄件、金屬型制造之前判斷冒口補(bǔ)縮效果及其他部位凝固情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鑄件結(jié)構(gòu)、鑄造工藝上的缺陷，幫助改善工藝條件，有效預(yù)防鑄件的縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生，提高工藝出品率，降低生產(chǎn)成本。

鑄造分析軟件的應(yīng)用是鑄造工藝設(shè)計(jì)方法的飛躍，在新產(chǎn)品試制過程中能提供許多直觀的參數(shù)，克服了由于鑄造過程難以直接觀察而帶來(lái)的對(duì)活塞鑄造生產(chǎn)的各種不利影響。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，為鑄造工程師的設(shè)計(jì)提供了一種新的工具，通過對(duì)各種判據(jù)的分析，采用相應(yīng)的措施改進(jìn)金屬型設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短試制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。