原标题：基于Anycasting仿真软件的挤压铸造铝合金机座工艺研究

摘要：针对铝合金机座零件的结构和挤压铸造工艺特点，对原超慢速压铸模具的进浇方式、排溢系统、冷却系统进行再设计，使其适用于挤压铸造工艺。利用AnyCasting软件，对修改前后的模具进行模拟分析对比，修改前模拟分析的产品内部缩松缺陷与实际情况一致，修改后的模具通过更改进浇方式，扩大排气槽及溢流槽，使液流在充填模具型腔过程中气体能顺利排出；并增加冷却水路来控制模具温度，保证产品在冷却过程中实现顺序凝固，进而消除了产品内部缩松缺陷。所获得的挤压铸造铝合金支座组织致密、可进行T6热处理，力学性能接近锻件性能。

铝合金由于质量轻和高的比强度，目前多选用铝合金来代替钢铁材料制作零部件，特别是在汽车制造业为适应市场轻量化需求，这种替代尤为明显。由于挤压铸造工艺获得的零部件内部组织致密，铸件可通过T6处理进一步提高性能。铝合金机座是精密焊接设备上一个重要承载零件，对力学性能要求较高，铸件需要T6热处理。该产品之前是由超慢速压铸工艺制作，产品缩松缺陷严重，合格率低。为解决该产品内部缩松问题，提高产品合格率，本课题结合挤压铸造生产工艺，针对产品结构特点进行分析，利用原有的压铸模具，在只改变模具浇注系统的进料方式和模具厚度的基础上，实现了由压铸模到挤压铸造模具的结构转换。同时对该产品在挤压铸造工艺条件下，利用AnyCasting软件对液流充型过程和凝固过程进行数值模拟，预测成型过程可能造成的气孔、缩松等缺陷，为浇注系统和排溢系统的优化设计提供参考。

1．零件的结构特性分析

机座材质为A354合金(近似国标铝合金ZL111)，其化学成分见表1。该材料可热处理强化，在铸态及热处理后具有优良的室温和高温力学性能。该合金的铸造性能优良，无热裂倾向，线收缩小、气密性高、切削加工性和焊接性均较好，但耐蚀性较差。

零件轮廓尺寸约为194 mm×170 mm×55 mm,产品壁厚薄，平均壁厚约为4 mm，超出挤压铸造工艺对产品壁厚要求的极限值，产品在成形过程中极易造成卷气、冷隔，缺料等缺陷。产品结构见图1。

表1：A354合金的化学成分 wb/%

产品本体取样力学性能要求为：抗拉强度≥320MPa，屈服强度≥240MPa,伸长率≥3 %。X-射线探伤等级要求ASTM  E155，优于1级。

图1：零件结构三维图

2．产品模拟分析及模具改造设计

由于此产品已有超慢速压铸工艺的模具，为了解铸件成形过程特征，首先需要结合挤压铸造工艺特点对该产品进行充型、凝固模拟分析。选用 AnyCasting软件模拟铸件成形过程，预测和分析出铸件成形过程可能产生的缺陷。为合理优化铸件结构、设计模具浇注系统和溢流系统，最终获得高品质铸件奠定基础。

依据产品结构及现有模具，同时结合公司现有设备，决定采用宇部HVSC800PL型卧式挤压铸造机生产该产品。图2为卧式挤压铸造机的压射系统工作原理图。该系统可实现低速充填、高压凝固补缩的成型特性，获得的铸件组织致密、力学性能优良。

图2：挤压铸造机压射系统原理图

2.1浇注系统的改造设计

结合产品结构特征及现有模具，需将原超慢速压铸模具的浇注系统重新布局，以适应挤压铸造机和工艺的要求，修改前后的浇注系统结构见图3和图4。超慢速压铸选用卧式冷室压铸机，压机的压射系统与开合模方向一致。卧式挤压铸造机模具的浇注系统进浇方式与压机合模方向垂直，其浇注系统见图4b，铝液自下而上在高压慢速状态下充型。

图3：修改前浇注系统结构图

图4：修改后浇注系统结构图

2.2产品模拟分析

对铸件进行修改前后模拟分析，对比超慢速压铸工艺和挤压铸造工艺的凝固过程。AnyCasting模拟中所采用的参数：模具材质为SKD61，模具预热温度为250 ℃，铝液浇注温度为700～720 ℃，冲头的速度控制在0.08～ 0.15 m/s ，铸造压力为90 MPa，保压30 s左右。

AnyCasting模拟超慢速压铸成形过程显示，在铸件上方和浇口附近形成液相孤岛，见图5，这不利于压力传递和补缩，存在较大的缩松与缩孔风险，模拟结果与实际产品缺陷位置相符，见图6和图7。

图5：超慢速压铸工艺模拟分析

图6：实际缺陷位置

图7：实际X光缺陷位置

AnyCasting模拟显示，更改浇注系统和进浇方式后，在模具设计上需加强铸件的冷却，以保证铸件先凝固、浇注系统后凝固、料柄最后凝固的顺序凝固过程。因此，必须重新设计模具的冷却水路，完善模具的冷却系统，实现顺序凝固过程，保证铸件在成形过程中有足够的液体金属对其补缩，消除铸件中的缩松缩孔缺陷。图8为挤压铸造凝固模拟分析结果。可以看出，铸件能得到很好的补缩，使缩松缺陷发生的几率大幅下降。

图：挤压铸造工艺模拟分析

2.3模具的优化设计

根据挤压铸造工艺及设备要求，对原模具的浇注系统冷、排溢系统、冷却系统重新进行优化设计。主要为：
（1）对抽芯滑块进行氮化处理  以防止产品在成形过程中，滑块粘铝造成产品拉伤。
（2）增加滑块复位弹簧  结合宇部HVSC800PL型挤压铸造设备工作原理，增添两侧滑块复位弹簧，保证产品生产过程中滑块能自动归位，防止滑块移动影响斜销准确进入滑块孔。
（3）增加冷却水路  挤压铸造生产过程中铝液温度在700~720 ℃之间，模具温度在200~300 ℃之间，增加冷却水路，防止模具温度过高，同时加强铸件的冷却速度，以保证产品实现顺序凝固。
（4）加深内浇口尺寸  将原模具内浇口加深1.3 mm，减少液流流动阻力，便于铝液充填。
（5）扩大溢流槽尺寸 将原模具溢流槽进口厚度尺寸扩大0.5 mm，便于熔渣排除，减少铸件夹渣缺陷。
（6）扩大排气槽尺寸 将原模具排气槽尺寸扩大3 mm，便于排除型腔中的气体。

3．产品工艺参数设计

压铸过程中，压射速度及压力对产品的成形品质十分重要。 挤压铸造过程中，由于产品是在高压低速下成形，铝液呈层流状态充填模具型腔。由于成形速度较慢，模具型腔内的气体能够较顺利排出，极大地降低了产品内部气孔的形成，同时铝液在高压下凝固减少了缩孔、缩松缺陷，因此所获得得铸件组织致密，产品的力学性能高。在实际生产中，充型速度和压射压力是获得优质挤压铸造件的两个重要参数。充型速度除受模具浇注系统影响外，很大程度上取决于挤压铸造机的压射速度。结合AnyCasting模拟分析的参数，根据零件的结构特点，在不同阶段可选取不同的充填速度。所设计的参数见表3。其中内浇口速度设定为35 mm/s，实际生产中产品成形良好，产品内部无气孔、缩松等缺陷。

通过表3和表4可以看出，在切换点4处挤压铸造选取的内浇口速度比超慢速压铸降低了245 mm/s，可避免产品成形时发生卷气现象，模具型腔内的气体也能够顺利排出。挤压铸造的压力比超慢速压铸提高了76.5 MPa，铝液在高压下凝固，产品内部组织更加致密，力学性能显著提高。

表3：挤压铸造工艺参数

表4：超慢速压铸工艺参数

4、产品生产效果验证

该产品用超慢速压铸成形内部形成严重缩松带，X光检验合格率仅有20%，产品内部缺陷严重，且无法进行T6热处理，产品性能也无法得到保证。利用优化改进后的模具挤压铸造出来的铸件，内部缩松在ASTM E155一级以内，产品X光检测合格率高达95%，实际生产效果与AnyCasting模拟分析结果一致，图9为产品内部缺陷对比图。

图9：内部缺陷对比图

用改进后的挤压铸造模具生产的铸件，内部缺陷消除，完全达到了设计要求，铸件经T6热处理，从本体取样性能数据见表5。

表5：挤压铸造件的力学性能

该产品一次性试制成功并送样，同时一次性通过质量测量（±5g）、模组测试，高频震动测试5 000次/s，组装跑机测试，整机精度30 μm测试等各类验证，完全满足客户给出的各项指标，现已进入批量生产阶段。

5、结论

（1）通过对产品结构分析并结合挤压铸造工艺特点，对原模具进行浇注系统、排溢系统、冷却系统优化设计，使其既要满足挤压铸造机的装配关系要求，又要适用于挤压铸造成形工艺要求。并利用AnyCasting软件对改进前后的模具进行模拟分析数据对比，为后期实际生产提供有效的基础。经过改造后的模具用于挤压铸造机座生产，完全满足工艺要求，产品内部缩松改善效果与AnyCasting软件分析结果一致，显著降低了产品开发成本。

（2）通过对比超慢速压铸和挤压铸造工艺生产的铸件，由于挤压铸造充型速度比超慢速低，且成形压力高，铸件没有气孔、缩松等缺陷，组织致密，可进行T6处理，铸件综合力学性能好，完全满足要求。

作者：
舒樱 夏望红 罗继相
广州金邦液态模锻技术有限公司
杜航 张吉祥
济南圣泉集团股份有限公司
济南艾尼凯斯特软件有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2019年第39卷第12期