大直径铝合金活塞的模具设计和铸造工艺优化研究

大直径铝合金活塞的模具设计和铸造工艺优化研究

张帅帅，代忠惠，孔波，闫卫

滨州渤海活塞有限公司

山东省滨州市256500

摘要：传统大直径铝合金活塞的模具设计和铸造工艺在实际生产中极易在活塞内部产生一定铸造缺陷，对活塞顶部以及裙部造成影响。为防止大直径铝合金活塞产生铸造缺陷，对模具设计以及铸造工艺进行优化极为必要。本文便基于AnyCasting三维模拟软件，将传统铸造工艺作为初始条件进行铸造模拟，根据模拟结果，提出有针对性的模具设计和铸造工艺的优化策略，最后进行生产验证，证明优化策略切实有效，以此为相关设计人员、铸造人员提供实践参考。

关键词：大直径；铝合金活塞；模具设计；铸造工艺

0.前言：活塞是发动机重要组成部分，对于铸造工艺要求较高。传统发动机活塞的材质通常为铸铁，成本较低，但自重较大，发动机在高速运转过程中极易发生脆性破坏，进而对发动机产生损坏。为此，铝合金活塞替代了传统铸铁材质的活塞，解决了铸铁活塞质量过大的问题。但铝合金自身的热导率较高，且活塞模具结构较为复杂，热节过多，所以在铸造过程中极易出现缩松等缺陷。铝合金的传统铸造工艺多数基于经验方法，参考价值较小，无法为模具结构和铸造工艺的优化提供数据参考，因此采取数值模拟法进行分析极为必要。

1.大直径铝合金活塞的初始模具设计及铸造工艺的数值模拟

为对大直径铝合金活塞（为方便论述，下文简称为铝合金活塞）的初始磨具设计及铸造工艺进行数值模拟，本文采用AnyCasting三维模拟软件建立几何模型，划分网格单元。

1.1几何模型的建立

    本文将铝合金活塞的最大直径设置为240mm，整体高度为77mm，顶冒口高度为33mm，最大直径设置为50mm。此模型的顶部和裙部厚度较大，且销孔处的厚度要大于裙壁处。根据活塞受力情况分析，活塞的顶部和销孔部位的承压较大，所以此部分不能存在铸造缺陷。此外，由于顶部、裙部的厚度较高易出现热节，所以在此处设置保温冒口进行补缩，而且因裙部和销孔部的厚度差异较大，所以在侧面设置保温块，以此使其实现顺序凝固。浇注系统方面，本文采用底注式浇注，浇口杯距离活塞顶帽11cm处，以此最大限度增强补缩效果，避免在活塞的顶部出现铸造缺陷[1]。

    利用AnyCasting软件，根据活塞的尺寸将上述铝合金活塞划分为共计1000000个网格，每个网格的直径为2.674mm左右。其中表面网格数量为42000个。

1.3铸造工艺参数

    将模具的预热温度控制在300℃左右，浇注温度控制在770℃左右，速度控制在15.426cm/s，具体浇注时间控制在6s以上，7s以下，浇道宽度为6mm，并按照120s对凝固时间进行计算。

1.4数值模拟结果

    图1为初始工艺条件下进行铸造的铝合金活塞充型时的温度场分布情况。从左至右的时间点分别为2.276s、3.577s、4.875s、6.175s。从图中可看出，在2.276s时，底部温度要高于液相线自身的温度，超过600℃，此时活塞仍然为液态。3.577s时，活塞充型率已经达到了55%，活塞外壁温度下降到550℃，但内部温度较高，在630℃以上。6.175s时，活塞充型率为75%，液面上升到活塞顶部的凸台位置，此时顶部温度在680℃左右，是活塞整体最后进行凝固的位置，说明保温口起到了应有的作用。随着时间的推移，活塞的凝固顺序为远离浇道的部分率先凝固，顶部区域其次，顶冒口为最后凝固的区域，未按照从下至上的顺序，整体凝固时间为114.892s。

图 1 初始条件数值模拟温度场

1.5缺陷情况

    由于活塞内部裙部边缘在凝固时可能存在孤立液相区，所以周围液体凝固后，无法在短时间内进行补缩，进而产生了缩孔。利用软件将缺陷处进行截面后得知，该缩孔位于裙部附近区域。由此可得知，在浇注过程中，活塞的裙部产生了较为明显缩松，产生了缩孔，但其他位置未发生铸造缺陷。因此，在对活塞模具设计和铸造工艺进行优化时，应从浇注系统以及顶冒口入手，对顶冒口进行优化，降低裙部出现缩松的概率。

2.大直径铝合金活塞的模具设计和铸造工艺优化策略

根据上述分析可得知，活塞裙部位置因厚度过大，且未得到顶冒口的补缩，进而形成缺陷。而减小裙部的厚度便会影响到活塞的性能，所以应从顶冒口以及浇注系统入手，在提高顶冒口补缩性能的同时，实现活塞按顺序凝固。

2.1浇注系统优化

    根据上文数值模拟的结果可得知，应提高凝固温度梯度，延缓温度下降趋势，为顶冒口补缩提供时间。所以，将浇道宽度设置从原本的6mm，扩大到12mm，以此提高金属液充型的稳定性，降低夹杂卷气的可能性。并保持原有的15.42cm/s浇注速度不变，顶冒口直径不变。按照上述参数进行优化后进行重新充型，对比图1的温度场变化可得知。活塞底部的温度和浇道位置相比较低，且凝固是从活塞的边缘开始，整体凝固趋势为从下至上开始凝固，但活塞的裙部仍然存在缩孔。此结果说明，单独对浇注系统进行优化，虽然能够在一定程度上改善凝固顺序，但仍然无法提高顶冒口对裙部的补缩性能。因此，应在优化浇注系统的基础上对顶冒口进行优化，即优化模具结构

[2]。

2.2顶冒口优化

    为保证最后凝固的区域仍然是顶冒口，按照上述优化后浇注系统的参数不变，始终将浇注系统维持在15.42cm/s，但将顶冒口的最大直径设置为60mm，增加10mm，以此使得活塞裙部在浇注过程中产生的热节向顶冒口出现偏移。

    将改进后的模具结构重新在三维软件中输入进行数值模拟，温度场如图2，相对于图1的温度场，图2不仅实现了活塞按照从下至上的顺序凝固。图2中从左至右的时间点分别为2.80s、4.41s、6.01s、7.62s，图中能够明显发现，当时间点位于7.62s时候，充型率便达到了95%，且顶冒口的温度最高，且2.80s时，活塞底部的温度升高到600℃，改善了温度梯度，有效防止了局部结节的出现。在三维模型中选取活塞截面进行分析后，发现裙部不存在缩孔，缩孔位置已经转移到顶冒口，在后续加工中可对其进行切除，这便避免了铸造缺陷的出现。

图 2 优化后的数值模拟温度场

2.3生产验证

    按照浇道12mm，浇注速度15.42cm/s，顶冒口最大直径60mm为改进后的参数进行了实际铸造，对活塞进行切割后发现缩孔、缩松现象确实出现在顶冒口处，在后续加工中可进行切除，此点和数值模拟基本相同。证明本文所提出的优化策略确实能够改善铝合金活塞的铸造缺陷，具有一定应用价值。

结论：综上所述，大直径铝合金活塞在铸造过程中，极易产生内部缺陷，为此，本文利用相关三维模拟软件进行了数值模拟，分析了铸造缺陷出现的原因，并采取了针对性优化措施，从生产验证结果分析，此优化策略切实能够解决实际问题。

参考文献：

[1]张振威，蒋锐，唐家耘. 基于激光闪射法测量某内燃机铝合金活塞的热物性参数[J]. 理化检验－物理分册，2022,58(03):26-28+36.

[2]关长辉. 微弧氧化技术在ZL109铸造铝合金活塞头表面优化处理中的应用研究[J]. 企业科技与发展,2021,(07):72-74.