间接挤压铸造活塞模具设计研究

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摘要:在活塞模具设计加工中采用间接挤压铸造工艺，提高成品操作的稳定性，设备成本低廉，得到了广泛应用。但是这一工艺在应用中会产生片状共晶等物质，直接影响工艺的精确度。而数据模拟软件为模数铸造创造一种便捷的解决方案，通过可视化窗口操作全面掌控铸件流程，并了解参数的不合理之处，不仅降低不合格率，还节省操作成本。本文针对活塞模具，全面分析间接挤压工艺的设计与优化。

关键词:活塞模具;间接挤压工艺;改进优化

间接挤压工艺的发展基础是压力铸造与金属模锻工艺，其有大量新特点，在成型操作中，静压从始至终都影响金属液，凝固金属液以后，在挤压成型操作中，由于存在压力，铸件会发生极微小的变形，加之外边缘压力作用使其紧贴型壁。在挤压凝固层的过程中发生了变形，对一部分能量有效吸收，可以出现较强的补缩作用，对内部缩孔缩松等问题有效解决，提升力学水平。因此对其研究具有一定的实际意义。

一、工艺优势

当前，这一工艺表现出下列优势:第一，这项操作相对简单，同时体现出较强的经济价值和操作效率。第二，在凝固金属液的过程中，发生缓慢充型并且受到较大挤压力的影响，形成比较细密的组织，内部很少发生缺陷，获得良好的性能。与传统技术相比，相应提升了屈服强度，增加了断面伸长率，一部分力学性能甚至可以达到铝合金变形水平。另外在处理后续挤压操作中，可以选择热方式，从而提升力学功能。第三，由于凝固金属液始终遭遇挤压力的影响，因此材料本身不会产生较强的流动性，进一步对应用范围进行拓展，不仅在普通铝合金中应用，还适用于变形特点的铝合金。［1］在压力铸造与挤压铸造操作中，凝固液态金属操作会被挤压力影响，但二者之间形成了较大差异。首先注入腔内的液态金属形式不一样，压力操作中，高温状态以极快的速度注入，在这一操作中，由于充型速度过快，容易滞留一部分气体，由此产生气孔现象，不利于后续热处理。在挤压操作中，主要是大流量、缓慢注入，充型操作十分稳定，有利于排出气体，也不会出现大量气孔。另外，冷却速度很快，在凝固操作中，浇道阻力降低一部分压力，最后凝固阶段基本不会受到压力的影响。

二、选择方案和明确结构

首先，利用UG软件针对活塞及其模具设计三维造型，进一步划分网格与体网格，部分铸件网格因子长度是3mm，通水管道因子长度为2mm，模具部分因子长度为6mm，如此不仅节省操作模拟所需的时间，还对活塞铸件认真计算。形成二维网格数109760，三维网格数1561699。［2］本次应用产品材料无法在数据库中找到相关的复合材料，因此需要录入合金具体成分，自行产生合金液、固相线温度等一系列参数。在设计最初模拟活塞充型条件中，牵涉到浇注溶液温度、预热模具的设计温度等数据。由于可以在软件中将挤压压力转变为冲头设定的上行挤压速度，当完成充型后停止移动冲头使其不能再一次进行加压，需要在活塞料柄位置设计补缩面。应当注意严控挤压操作速度，由于其产生的挤压力会对模具应用时间造成影响，也有可能导致设备的使用时间。

三、数据模拟

(一)充型模拟。经过多次对比模拟结果了解到，当设定浇注温度180℃时，产生200℃的模具温度，压头速度时0．5m/s，可以稳定进行充型，并且不会出现卷气，整体操作流程完成时间是0．453s。通过定量设备向腔内灌入金属液，压头凭借快速移动产生上下操作，当其与金属液面有效接触时，降低操作速度，此时从底部开始金属液缓慢向上填充，流动之前表面异常光滑，不会出现喷溅。随着压头开始运动，活塞外圆位置先降低温度，当尚未完全填满腔内时，已经出现凝固的金属液，冷隔与浇注不足问题极易发生。［3］(二)凝固模拟。充型操作结束以后，在既定压力下保压凝固处理铸件，使其迅速达到凝固状态。首先开始发生凝固的是外圆部分，之后是裙部，最后是顶部与销部开始凝固。由此可知，随着不断发生的凝固行为，在销部依然存在着补缩压力的通道。

四、改进与优化

计算铸件凝固以后，通过软件系统提供缩松缩孔倾向图。由于在料柄位置出现活塞补缩截面，因此其发生这一现象相对正常。虽然冷却水管有利于顶部更好进行凝固，造成裙部位置产生较低的温度，通过分析可知，中下部容易出现缩孔缩松现象，排气槽位置产生的补缩功能与挤压力向集渣包中挤入氧化皮，因此该处形成较好的密闭组织，成型效果很好。冷却水通过促使顶部凝固的最后位置向下移动，在补缩通道上半截始终卡在活塞中下位置，冷却凝固以后不能加工清除这一现象，这也是影响成型的最重要因素。经过分析顶部熔池所在部位可知，对料柄优化使其成扩张形态。扩张柄口后，冲头挤压溶液使其增加稳定的上升，对成型有效优化;充分向金融溶液传输压力，完全实现热交换，明显提升冷却活塞速度;同时，由于缩短颈部带来一系列影响，向下移动熔池，截断了补缩通道，可以在扩张口位置更加集中进行凝固，在后期操作时统一清除。这一模具在处理活塞毛坯时无气泡产生。通过检测，满足使用要求。

五、结语

综合分析，利用间接挤压铸造方法设计活塞，这项技术发展较快，并且迅速在模具加工中应用，在大批量生产操作中，始终容易发生缩孔缩松问题，这个问题只有通过射线探伤方法进行检测，漏检现象的频繁出现，也会增加成本，影响生产时间，一定程度危害用户利益，因此，采取数据模拟软件，可以对加工操作提供科学指导，避免发生缺陷，具有一定的应用价值，可以在今后的活塞模具设计中大量使用。

参考文献:

［1］罗道宝，曾显恒．基于Procast的汽车框形铸件的挤压铸造工艺参数优化［J］．铸造技术，2016(1):170-172．

［2］张卫文，赵海东，张大童．金属材料挤压铸造成形技术的研究进展［J］．中国材料进展，2016(7):24-32．

［3］金建新．铝合金水冷板的铸造工艺研究［J］．特种铸造及有色合金，2015(2):47-49．

作者:洪巍 单位:大连远景铸造有限公司技术部