文：河南理工大学材料科学与工程学院 张双橹、米国发
河南英利特科技股份有限公司王凯
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滤清器壳体是发动机上的重要零件，铸件要求轻量化，不得漏气，表面平整光滑。为减少机械加工，孔和凹槽需铸出，若采用砂型铸造，铸件容易产生缩松缩孔等问题。而压铸生产工序简单、工艺流程短，生产的铸件表面光洁、尺寸精度高、力学性能良好，所以采用压铸生产滤清器壳体。压铸时金属液以高速流经内浇道时，型腔内的气体来不及排出而被卷入金属液，充型过程中卷气容易造成气孔、冷隔等缺陷。传统试错方法效率低，成本高，而计算机技术的发展，使得数值模拟技术的应用，极大的提高了效率。本课题利用Flow-3D软件来预测铸件在压铸过程中容易产生卷气的位置及卷气量，根据模拟结果对压铸工艺进行优化。经优化工艺方案生产出的铸件缺陷减少，降低了废品率，大大节约了生产成本。
1、 铸件结构及材料
该件为YFQ-8系列滤清器壳体铸件，总质量为537.3g，体积为223.9cm3，轮廓尺寸为136.5mm×117mm×202.5mm，见图1。铸件主体为圆柱形长筒，最大直径为117mm，平均壁厚为3.5mm，中部有突起圆桶，属于厚大部位，一端为法兰盘，圆盘最外径有6个孔。
选用YL113铸造铝合金，其属于Al-Si-Cu系压铸合金，由于合金中加入了大量的硅元素，在熔融态下拥有较好的流动性，而且凝固过程中收缩小，热裂倾向小，因此合金铸造性能优良。此外,合金具有很好的气密性和一定的耐蚀性能，符合产品的性能要求和工作条件。
2、压铸工艺设计
2.1确定分型面
分型面位于压铸模的动模和定模的结合处，通常与开模方向相互垂直。如果选在压铸件的侧表面，也就是与开模方向一致的面，需要设置侧向抽芯机构。该压铸件的分型面有3种方案可选择，A-A分型面，B-B分型和C-C分型面，均为该压铸件外形轮廓尺寸的最大投影面，但是如果设置A-A面或B-B面为分型面，在开模时铸件的法兰结构阻碍动模的移动，无法实现分型。因此选用C-C分型面作为本次设计的分型面。
2.2 浇注系统的设计
浇注系统主要由直浇道，横浇道和内浇口组成。排溢系统主要有溢流槽和排气槽，作用是收集气体和冷污金属液，减少浇注系统设计不足带来的压铸缺陷。
该件内浇口截面积的计算采用流量计算法。
式中，Ag为内浇口截面积，mm2；G为通过内浇口的金属液质量，g；ρ为液态金属的密度，g/cm3；ν为填充速度，mm/s。
金属液质量为537.3g，充填速度为24m/s，填充时间取0.08s，利用式(1)计算得，内浇口截面积Ag为116mm2，取整为120mm2。根据合金种类和铸件壁厚选定内浇口厚度为2mm。
横浇道的截面形状一般为扁梯形，结合压铸件的结构特点，采用两个浇口导入金属液，横浇道的宽度取为30mm；与内浇口连接端的横浇道宽度取26mm；与直浇道连接端的横浇道宽度取压室和浇口套直径同样的尺寸，为60mm；横浇道的长度取80mm。直浇道直径与浇口套内径相同，为60mm。
溢流槽大部分设置在分型面上,见图3，选用梯形溢流槽，溢流槽尺寸见表1。
溢流槽6为一圆饼状溢流槽,分割为4部分，每部分对应一个溢流口，其主要尺寸为Φ19mm×6.5mm。
3、初始方案的数值模拟
将设计好的实体模型转化为STL格式，导入Flow-3D软件进行参数设置，压铸件模型网格数划分为4000，网格尺寸为0.1mm，浇注温度设定为680℃，模具温度设为230℃,充填速度为24m/s。
3.1充型过程模拟
图4为充型过程的模拟图，可见金属液在t=0.026 39s时充填横浇道，见图4a；t=0.031 12s时金属液开始通过内浇口对型腔进行填充，见图4b。在此之前，金属液在直浇道和横浇道中流动，且流动较为平稳。由于内浇口较小，金属液流过时会变得很不平稳。在t=0.05332s时，首先进入型腔的混有夹杂物、涂料残渣和气体的金属液开始流进溢流槽，见图4e；t=0.062 66s时，金属液充型结束，见图4f，整个充型过程耗时0.06266s。
图4f为初始方案的卷气分布图，可以看出，铸件表面中心和两端以及突出部位，卷气严重。图中黄色、偏红色以及红色的部位都是卷气集中的部位，同时也是表面缺陷严重的部位。分析原因可能是因为溢流槽位置不合理，不能起到很好的集渣效果。
3.2温度场分析
压铸件充型完成后金属液的温度场分布见图5。根据压铸件的温度场分布可知，沿着金属液流动方向，填充越晚，温度越高。在内浇口周围，随着远离内浇口，沿轴向存在正温度梯度。温度越高，凝固时间越长，所以铸件凝固方向和其温度梯度方向相反，因此可以判断压铸件凝固方式为逐层凝固，并且能够及时得到补缩，出现缩松缩孔缺陷的几率不大。
4、优化方案及数值模拟
4.1 优化方案的设计
结合实际生产对初始方案进行优化，将内浇口与横浇道的连接处设计为发散型，增大内浇口宽度，减小横浇道宽度，这样在充型时使金属液可以获得较大的轴向充型速度。另外，将铸件伸出项末端溢流槽去除，在伸出项周围增加溢流槽。优化方案的铸件三维图见图6。
其中，铸件上的部分溢流槽尺寸见表2。
溢流槽4为环形溢流槽，高为7mm，长16为mm，内环半径为10mm，溢流口为配合溢流槽的扇形，高为6mm，内环半径为10mm，厚为2mm；溢流槽9和10的形状比较特殊，该结构紧邻型芯，既不能影响抽芯，又不能影响开模；溢流槽11为一圆饼状溢流槽，分割为4部分，每部分相互间隔2mm并各自对应一个溢流口，其主要尺寸为Φ17mm×17mm。溢流槽4，9和10在圆筒边缘位置，每个溢流口都是两股金属液的汇合处，也是气体、涂料残渣冷污金属液最集中的区域，所以设置溢流槽来改善充填、排气条件。
4.2充型过程模拟
图7为充型过程模拟结果图，通过观察发现，金属液在t=0.008 70s开始充填横浇道，t=0.014 52s开始通过内浇口对型腔进行填充，在此之前，金属液在直浇道和横浇道中流动较为平稳；t=0.036 78s时，首先进入型腔的混有夹杂物、涂料残渣和气体的前金属开始填充溢流槽；当t=0.047 06s时，型腔基本填充完毕，只有溢流槽尚未填充完毕，卷气基本都移动到溢流槽中；t=0.058 42s时，金属液充型结束，整个充型过程耗时0.058 42s。
图7 f为初始方案的卷气分布图。模拟结果显示，铸件上夹带气体的体积分数基本在23%左右，极少部分部位卷气量达到35%，且这些卷气主要分布在溢流槽周围。其他卷气体积分数35%~70%都分布在溢流槽内，溢流槽有效发挥了集气集渣的作用。
4.3温度场分析
压铸件充型完成后金属液的温度分布见图8。可以看出，浇注温度为650℃，沿着金属液流动方向，填充越晚，温度越高，铸件凝固方向和其温度梯度方向相反，铸件凝固顺序合理，不会产生较大的缺陷。
基于优化设计生产出的铸件见图9，可以看出铸件表面光滑，没有缺陷，在实际生产过程中未发现渗漏现象，满足生产要求。
5、 结 论
根据铸件的结构特点，设计出初始压铸工艺方案，利用Flow-3D软件进行数值模拟，对充型过程进行分析并预测产生缺陷的大小和位置，然后设计出优化方案。初始方案浇注系统的结构以及溢流槽的位置不合理，导致卷气体积分数较高，优化方案改进了浇注系统，并且在铸件两端设置了比较特殊的溢流槽，使得铸件内卷气体积分数显著降低，生产出了满足需求的铸件。
