摘要: 以铝合金发动机缸体的低压铸造过程为研究对象，应用MAGMA铸造模拟软件对充型及凝固过程进行模拟，将固相分数、充型温度、虚拟实验设计以及非热平衡状态的模拟结果和实际生产情况相结合，制定工艺参数，预测缺陷产生的位置，确定最佳工艺参数组合，优化生产工艺，保证质量稳定。

关键词:低压铸造；MAGMA；数值模拟；工艺优化

低压铸造技术具有原材料利用率高、铸件品质好，尺寸精度和表面光洁度高、容易实现机械化和自动化等特点[1]，是实现汽车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施[2，3]。然而，低压铸造过程看似简单，生产中涉及多个环节，每一步对模具的温度场，铸件的充型凝固过程都会产生影响[4]。如果仅仅通过生产测试来调整工艺，会消耗大量的人力物力财力。而通过数值模拟可预知液体金属充型、凝固过程中的温度分布，预测铸件中缺陷出现的位置、大小等，从而可以根据模拟结果调整铸造工艺方案、参数等[5-7]。

本研究采用MAGMA铸造模拟软件的铝合金低压铸造模块，以本公司生产的某铝合金发动机缸体铸件为研究对象(A356铝合金，外形尺寸约为430mm×360mm×330mm，最小壁厚4mm)，进行充型及凝固过程模拟，探讨了模拟结果在工艺优化中的应用。

1　利用凝固分数确定保压时间

低压铸造是将干燥的压缩空气压入密封坩埚内的液面上，使金属液在气体压力的作用下，沿升液管自下而上地上升，再通过浇口和浇道平稳地充满铸型，并保持在一定压力作用下结晶凝固(保压阶段)，保压结束后，释放液面上的气体压力，使浇口和升液管中没有凝固的金属液靠自重流回到坩埚中，再将铸型打开，取出铸件的过程[1]。

在保压阶段，除了保压压力，保压时间是另一个重要的参数。它与铸件的壁厚、结构及浇口形状，液态金属的温度及热导率，铸型的温度、热导率及冷却条件，升液管是否有加热保温措施等有关[8]。保压时间不足，铸件的凝固得不到充分补缩，容易产生缩松缩孔，甚至出现铸件底部因未凝固而回流的现象；若保压时间过长，不仅会降低生产效率，严重时可能导致浇口下端凝固，造成铸件难以脱模[9]。

因为低压铸造自下而上充型，自上而下凝固的特点，浇口和浇道是铸件最后凝固的部位，以它们的凝固状态为依据，就可以确定保压时间。利用MAGMA凝固过程模拟中固相分数的结果，当浇口颈部的固相分数为50％左右时(图1)，即可开始释放作用在液面的压力。

图1：浇口和浇道泄压前的固相分数模拟

因为此时已经不能通过底部的压力促进浇口对铸件的补缩，而且浇口浇道也具备了一定的强度，不会产生回流现象。利用泄压和开模前的时间可以让浇口浇道充分凝固，从而随铸件一同脱模。将模拟得到的时间作为保压时间应用于实际中，浇口状态和模拟结果基本吻合(图2)。

图2 脱模后的浇口和浇道凝固状态

2　利用充型温度的结果预防冷隔发生

冷隔是由于合金液的温度或模温太低、流动性差，在两股合金液流汇处不能对接和熔合在一起所致[10]。在MAGMA中， 可以利用充型温度(filling temperature)的结果来判断发生冷隔的风险。这个结果显示了每个网格单元第一次被填充时对应的金属液温度，并且在整个铸件中显示出来。通过这种方式，整个充型过程被汇总到一个结果中。利用这个结果可以让我们确定铝液到达铸件不同部位时的初始温度，它综合了铝液浇注温度和模具温度等的影响，对冷隔的预测更加客观。在模拟结果中，若充型温度在一块区域内低于液相线温度(A356合金的液相线温度为615℃[11])，且此处壁厚较薄，则容易出现冷隔(图3)。

图3 充型温度的模拟结果

在实际生产中，发现该处的冷隔会在模具对应位置保温涂料脱落后产生(图4)。因为失去了涂料的保温作用，开模后模具金属表面直接暴露在空气中进行热交换，模温下降较快，从而影响了下一个生产循环中到达该处的铝液温度，因此产生冷隔。通过模拟结果和实践经验，生产中加强对模具上对应位置的涂料监控，及时补喷，有效避免了因冷隔导致的报废。

图4 冷隔缺陷

3　利用虚拟实验设计优化参数组合

发动机缸体结构复杂，壁厚不均匀，在铸件最后凝固的地方得不到金属液的补缩，很容易产生缩松缩孔类缺陷[10](图5)。在低压铸造工艺中，针对缩松缺陷，我们可以调整的变量包括: 浇注温度，模具温度，冷却介质，冷却时间，冷却流量，压力参数等。尽管我们可以通过科学的实验设计，测试生产，并辅以X射线检查的方式，总结出使用不同组合方案后缺陷的大小变化，但是这需要大量的投入。

图5 缩松的金相照片

在MAGMA中使用虚拟实验设计(design of experiment)功能，在一次计算中可以模拟多个参数组合，并进行缺陷大小排序，迅速地找到最佳方案。

这里以模具温度的实验设计为例。在低压铸造工艺中，模具加热温度过高，会引起粘模和变形等问题，影响其使用寿命；过低又容易引起浇不足和冷隔等缺陷，同时考虑到模具从下至上，加热温度的设定呈由高到低的顺序，结合以往的生产经验，底模温度通常设定在620℃ ~640℃之间，侧模初始温度通常设定在250℃~450℃之间。

实验设计中取底模初始温度分别为620℃ 和640℃，侧模初始温度分别为250℃、350℃和450℃，共形成6种组合方案(表1)，目标为找出使总体缩松最小的参数组合。

经过模拟计算，得到基于总体缩松大小的排名(表2)，可以看到第6种设计方案，即底模初始温度640℃，侧模初始温度为450℃的方案，总体缩松最小。将这组参数应用于生产中后，实际的总体缩松缺陷率也相应地实现了一定程度的降低。

4　模拟停机后再生产的工艺条件指导浇道结构优化

低压铸造生产是一个循环的周期性的工作过程，每一次浇注过程(包括清理、喷补涂料、下过滤网、下砂芯、吹扫、合模、充型、保压、泄压、冷却、开模、取件等)都伴随着模具温度从低到高再降低的过程。使模具升温的热源，一是模具的加热系统，二是由金属液带入的热量。模具在得到热量的同时，也向空气散发热量或者由冷却介质带走一部分热量，如果单位时间内模具吸收的热量和散发的热量相等，达到一个平衡状态，则称为模具的热平衡[12]。

铸造工艺参数的设定是基于模具热平衡状态设定的，当生产节拍发生异常时，模具的热平衡被破坏，还使用原参数来控制铸造过程就不合理了。模具温度过高或过低都会带来一些不良的后果[13]，这里以模具温度过低的情形为研究对象。在低压铸造生产过程中，需要定期全面地清理模具，喷涂料，更换坩埚，补充铝液等，偶尔也会有设备或者模具故障发生，这些都会导致一定时间的停机，从而影响模具的温度场，造成工艺条件与设计的理想条件的差别，产生质量风险。在生产中发现油底壳侧靠近浇道的一个区域(以下简称为A区)易产生缩松缺陷(图6)，其中90％以上A 区缩松都发生在因各种原因停机超过10min 之后。尽管多数停机情况下，都会开启加热系统，合模保温，模具温度还是达不到连续浇注后的平衡状态，缺陷因此而产生。

图6 A区的缩松缺陷

用MAGMA模拟时，经过10个预热循环后，模具就达到了热平衡状态。再进行一个生产循环的模拟，就可以得到正常节拍后铸件内缺陷分布和大小的结果。在模拟非正常节拍时，先计算10个预热循环，让模具达到热平衡，然后修改合模之后，浇注之前的等待时间，以模拟停机保温的过程，再计算一个生产循环。通过两种情况下的模拟结果可以看到，正常生产节拍时，在A区下端的浇道内有缩松，这个缩松在后续切割浇道时即被加工掉，不影响铸件的最终质量(图7(a))。而停机保温10min 后，缩松从浇道内上移至铸件内，加工时正好能暴露在加工面上(图7(b))。

图7 不同情况下MAGMA模拟的A区缩松的位置及大小

将参数在公差范围内进行调整，进行多组模拟，发现这个缺陷仍会浮动于浇道和铸件之中。究其原因，是因为这个区域铸件比较厚大，凝固较慢，若想消除掉此缩松，就需要减小这个区域的厚度，加速其凝固，同时还要保证不影响铸件其他位置充型凝固后的质量状态。结合以往的经验，设定了填满底模浇道上正对A区的梯形凹槽的方案，使A区的冷却加快。更改浇道的数模，利用MAGMA对正常节拍和停机后的情况进行模拟，发现充型过程没有太大影响，而缩松彻底消失(图8)，同时没有在铸件其他位置产生新的缺陷。按此方案对生产模具进行了浇道的更改(图9)，生产验证也得到了同样的结果，彻底消除了A区的缩松，使铸件质量在正常节拍和停机后都更加稳定。

图8 浇道结构更改后在MAGMA模拟中的缩松彻底消失

图9 改进前后A区下端的浇道形状

5　结论

(1)用MAGMA模拟结果中浇口颈部的固相分数为50％左右时对应的时间作为保压时间，能保证浇口浇道完全凝固，并且顺利脱模。

(2)用充型模拟结果中的“充型温度”可以预测冷隔产生的风险，结合模具表面保温涂料的实际状态，制定工艺措施，可以有效预防冷隔发生。

(3)在模拟软件中进行虚拟实验设计，可以在众多参数组合中迅速找到最佳方案，提高了工艺优化的效率。

(4)对停机后再生产的情形进行模拟，能够发现模具热平衡被打破后容易产生的缺陷，基于这个结果进行工艺优化，可以使铸造工艺参数有更广泛的适用性，保证铸件质量的稳定。

参考文献

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