采用壓鑄生產(chǎn)出的鑄件尺寸精度高、組織細密、加工余量小、生產(chǎn)效率高，在汽車、家電、機械裝備等領域應用廣泛。研究的鑄件為某公司生產(chǎn)的汽車油缸零部件的閥體，其三維示意圖見圖1，其中紅色區(qū)域為加工面，加工余量為0.3 mm，外形尺寸為115.5 mm74.5 mm 71.9 mm，其最厚壁厚為24.6 mm，最薄壁厚為2 mm，主要壁厚為7 mm，質量為0.36 kg，材質為ADC12，其材料力學性能見表1。鑄件要求去毛刺，起模斜度為1.5º3º，收縮率為0.5%，無縮孔、縮松、裂紋和冷隔等鑄造缺陷，表面噴丸處理。

圖1 鑄件三維示意圖

表1ADC12力學性能

1.1 分型面的設計

閥體的結構比較復雜，需要設置多個抽芯機構，采用一模一腔。根據(jù)分型面在鑄件投影面積最大的區(qū)域的基本原則，選取兩種分型面，分型面1見圖2a，鑄件采用在豎直方向分型。采用此種分型，鑄件的抽芯機構多，模具型腔較深，加工比較困難，易發(fā)射干涉現(xiàn)象，鑄件下方不便設置溢流槽，故分型面方案1設置不合理。分型面2見圖2b，鑄件采用水平分型，模具鑄件的抽芯機構少，模具加工比較簡單，不易發(fā)生干涉現(xiàn)象，方便溢流槽和推出機構的設計，故分型面2更合理。

（a）分型面1     

（b）分型面2

圖2分型面方案示意圖

1.2澆注系統(tǒng)的設計

設計了兩種澆注系統(tǒng)，其三維示意圖見圖3。

（a）澆注系統(tǒng)1

（b）澆注系統(tǒng)2

圖3澆注系統(tǒng)的三維示意圖

內(nèi)澆口的設計一般包括內(nèi)澆口的位置、大小、方向等。內(nèi)澆口設計原則：壓鑄件上表面精度要求較高且不加工的部位不宜設置內(nèi)澆口，設置內(nèi)澆口位置在加工面上。為了避免金屬液直接沖擊型芯、減少金屬液分流后再發(fā)生碰撞，根據(jù)鑄件的結構，設置一個垂直加工面方向的環(huán)形內(nèi)澆口，其內(nèi)澆口的截面積按下式計算。

（1）

取充填速度為30 m/s，充型時間為0.07 s，內(nèi)澆口壁厚為2.8 mm。計算得內(nèi)澆口的截面積Ag=223.6 mm2，內(nèi)澆口寬度為111.8 mm。

橫澆道其結構形式主要取決于內(nèi)澆口的形狀、位置、方向和尺寸，而設置為環(huán)形內(nèi)澆口，為了防止金屬液在流入內(nèi)澆口時產(chǎn)生負壓，橫澆道采用圓弧式收縮結構。為了便于橫澆道順利脫模，其一般截面積為梯形，其厚度計算為。

D=（5～8）T （2）

直澆道是金屬液從料筒進入型腔的通道，其大小與壓室的內(nèi)徑有關，而由壓鑄機的參數(shù)知，壓室直徑有50 mm、60 mm、70 mm 3種，由于鑄件體積較小，設置壓室直徑為50mm，為了便于脫模，直澆道起模斜度為10º，料餅厚度為10mm。

1.3溢流系統(tǒng)的設計

由溢流槽的設計原則：①在金屬液最后充填的地方，由圖3知，金屬液從內(nèi)澆口流入，最后充填鑄件左端，故在鑄件左端設置三個溢流槽；②鑄件局部壁厚處，在鑄件的壁厚處設置一個溢流槽；③金屬液匯合區(qū)域，由圖3知，在鑄件的右端，鑄件形狀為圓環(huán)，金屬液在流動過程中會發(fā)生匯合，故在右端設置兩個溢流槽。為了避免溢流口對抽芯原件的影響，有的溢流口需設置成曲面形狀。澆注系統(tǒng)1、2設置的溢流槽系統(tǒng)三維示意圖見4。

（a）澆注系統(tǒng)1溢流槽

（b）澆注系統(tǒng)2溢流槽

圖4溢流槽三維結構示意圖

將設計好的壓鑄工藝三維造型以x_t形式導入模擬軟件ProCAST中，由于鑄件結構復雜，其最小壁厚和澆注系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)的最小壁厚不同，因此采用不均勻網(wǎng)格劃分，劃分鑄件單元格尺寸為2 mm，劃分澆注系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)的單元格尺寸為0.5 mm，劃分模具網(wǎng)格尺寸為10 mm。

2.1工藝參數(shù)設置

設置鑄件的邊界條件：①鑄件材料為ADC12合金，歐洲標準為ENAC-41600，模具材質為H13鋼；②金屬液的澆注溫度為630℃，模具預熱溫度為180℃；③設置鑄件與模具的傳熱系數(shù)為1 000 W/（m2·K）[6]；④金屬液的壓射速度為1.8 m/s，鑄件用空冷方式。

2.2初始工藝方案模擬

澆注系統(tǒng)1的充型過程見圖5。由圖5a知，充型25%時，金屬液從直澆道流向橫澆道；充型50%時，金屬液從內(nèi)澆口流向鑄件兩端，并有部分的金屬液流向右端的溢流口,見圖5b；充型75%時，鑄件右端已充型完成，金屬液充填鑄件左側，鑄件右側一端的溢流槽已填充完成,見圖5c；充型95%時，鑄件充型完成，金屬液流向溢流口，見圖5d。整個充型過程，金屬液流動平穩(wěn)，無飛濺現(xiàn)象，金屬液從澆注系統(tǒng)流向鑄件，最后流向溢流槽，可見澆注系統(tǒng)1設置合理。

（a）

（b）50%             

（c）75%

     （d）95%

圖5澆注系統(tǒng)1充型過程示意圖

澆注系統(tǒng)2的充型過程見圖6。由圖6a可知，充型25%時，金屬液從直澆道流向橫澆道；充型50%時，金屬液開始從內(nèi)澆口流向鑄件右側，見圖6b；充型75%時，鑄件右側充填完成，金屬液充填鑄件左側，部分金屬液開始流向溢流口，見圖6c；充型95%時，鑄件幾乎充型完成，金屬液流向溢流槽，見圖6d。整個充型過程，金屬液流動平穩(wěn)，從橫澆道流向內(nèi)澆口在流向鑄件，最后填充溢流槽，無飛濺現(xiàn)象產(chǎn)生，澆注系統(tǒng)2設置合理。

（a）25%

（b）50% 

（c）75%

（d）95%

圖6澆注系統(tǒng)2充型過程示意圖

兩種澆注系統(tǒng)的凝固溫度場見圖7，由圖7a知，澆注系統(tǒng)1在壁厚處的凝固溫度為黃綠色，而澆注系統(tǒng)2在壁厚區(qū)域的凝固溫度為綠色，預測澆注系統(tǒng)1在壁厚處更易產(chǎn)生熱節(jié)，產(chǎn)生縮孔缺陷。

（a）澆注系統(tǒng)1

（b）澆注系統(tǒng)2

圖7 鑄件凝固后的溫度場

澆注系統(tǒng)1產(chǎn)生的縮孔缺陷見圖8。由圖8可知，鑄件在壁厚區(qū)域的地方產(chǎn)生了縮孔缺陷，鑄件產(chǎn)生的縮孔體積為0.46 cm3（去除溢流槽），切面處縮孔率為80%90%，其主要原因是鑄件壁厚處的凝固速率較慢，產(chǎn)生了孤立的液相，在后續(xù)冷卻過程中得不到金屬液的補縮進而形成縮孔缺陷。

圖8 澆注系統(tǒng)1產(chǎn)生的縮孔缺陷示意圖

澆注系統(tǒng)2完全凝固產(chǎn)生的縮孔缺陷示意圖見圖9。可以看出，澆注系統(tǒng)2也在鑄件壁厚區(qū)域產(chǎn)生縮孔缺陷，其產(chǎn)生的縮孔體積為0.16 cm3，切面處的縮孔率為80%-85%，比澆注系統(tǒng)1產(chǎn)生縮孔缺陷少，其主要原因是金屬液在澆注系統(tǒng)1條件下開始充填壁厚區(qū)域的時間較早，在凝固時壁厚區(qū)域溫度高，凝固速率慢，更易產(chǎn)生孤立液相，產(chǎn)生縮孔缺陷，因此澆注系統(tǒng)2更優(yōu)。

圖9澆注系統(tǒng)b產(chǎn)生縮孔示意圖

2.3工藝優(yōu)化

鑄件產(chǎn)生縮孔缺陷的主要原因是壁厚區(qū)域的凝固速率較慢，為了提高鑄件壁厚區(qū)域凝固速率，在鑄件壁厚區(qū)域處設計冷卻水道。為了更好地起到冷卻效果，采用點冷卻水管。優(yōu)化后，模具與冷卻水道的傳熱系數(shù)為2000 W/（m2·K）[6]。

在澆注系統(tǒng)2基礎上優(yōu)化后鑄件產(chǎn)生的縮孔缺陷示意圖見圖10。鑄件壁厚處的縮孔缺陷消除，初始工藝方案鑄件產(chǎn)生縮孔缺陷的原因是鑄件壁厚區(qū)域的凝固速率較慢，工藝優(yōu)化后的鑄件無縮孔缺陷，滿足技術要求，可按此工藝進行模具設計。

圖10工藝優(yōu)化后鑄件縮孔缺陷示意圖

2.4生產(chǎn)驗證

圖11為采用優(yōu)化后的工藝實際生產(chǎn)的閥體鑄件，通過X探傷及相關檢測，發(fā)現(xiàn)鑄件無縮孔、裂紋及冷隔缺陷，滿足技術要求，可進行批量生產(chǎn)。

圖11鑄件實物圖

（1）通過閥體結構分析，設計了兩種壓鑄工藝并進行數(shù)值模擬。結果顯示，鑄件在壁厚區(qū)域處產(chǎn)生縮孔缺陷，金屬液先填充壁厚區(qū)域的工藝產(chǎn)生的縮孔缺陷較多，產(chǎn)生縮孔缺陷的原因是鑄件壁厚區(qū)域凝固速率較慢，部分區(qū)域因得不到金屬液的補縮而被孤立。

（2）通過增加冷卻系統(tǒng)對工藝進行優(yōu)化，結果顯示優(yōu)化后鑄件無縮孔缺陷并得到了生產(chǎn)驗證，滿足技術要求。