杜 航，余 永 吉，游 寿 松，李煜

（济南艾尼凯斯特软件有限公司, 山东 济南 250101）

关于铸造过程的模拟最早可追溯到 20 世纪 40 年代，美国哥伦比亚大学的 Victor Paschkis 利用研制出的 Heat and Mass Flow Analyzer 分析单元在砂型模具上做了热传导分析，并获得多项研究成果 [1]。此后经过数十年的努力，铸造 CAE 技术普及程度不断升级，铸件充型和凝固过程的计算机模拟技术已经进入工程实用化阶段，能够帮助工程技术人员在铸造工艺设计过程中对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、位置给予准确的预测，从而优化铸造工艺，提升铸件的质量，缩短试制周期，最终降低生产成本[2-3]。

1 机油滤清器壳体结构及铸件验收要求。

本文介绍的某型号机油滤清器壳体铸件采用 ADC12 铝合金，铸件毛坯重 4.8kg。零件装配后需要进行（油和水）渗漏测试，内部（油管和水管）不允许有渗漏测试；外部（配连接处）不允许有渗漏，采用 4kg/cm2 的氮气进行测试。由于机油滤清器壳体内部有多条进出油管路以及机油冷却管，因此比较复杂，机油滤清器壳体零件图如下图 1-1，1-2 所示。

2 模具方案设计过程及模拟与试制的步骤

首先进行了模具设计，设计出流道及冒口位置，如图 2-1 所示，命名为方案 1。由于中部是管路比较集中的区域比较重要，因此方案 1 中，流道主要集中在中部，两侧适当设置了渣包与排气道。通过模拟发现油滤器的中部填充比较好，两侧是后填充部位，金属液温度会比较低，气体量会比较大，填充不好。根据模拟的结果确定了浇道及渣包的修改方向，在上方增加了一条搭桥，增加顶部充型速度；在中部增加了一个浇口，使下端充型更快些；下方的增加了一条排气。图 2-2 所示为方案 2 的模具设计方案，圆圈圈定的位置就是改动过的浇道。

对方案 2 进行了模拟分析，并开模试制。采用了 AnyCasting 铸造 CAE 软件进行了模拟分析。如下图 2-3，2-4 所示为模拟的结果，底部和顶部仍然有充型的问题。底部仍然是最后充型，金属液温度偏低而且有气体包卷的现象。顶部的金属液不是从搭桥部位最先充型的，而且搭桥处金属液是回填的，因此没有起到理想的作用效果。图 2-5 为凝固时间的图片，可以看出铸件中端中心部位凝固时间很长，温度较高，可能会有粘模问题或缩孔等缺陷。

为了验证模拟的结果，对第二种方案进行了开模试制验证。试制出来的产品存在的缺陷如图 2-6，2-7，2-8 所示，试制的结果与模拟结果基本吻合，零件的确存在顶端与底部的充型问题，中段壁厚部位凝固时间过长导致抽芯的。

通过模拟及试制发现了问题及问题产生的原因，确定了改进的方向。下图 2-9，2-10 分别为方案 3 及方案 4 的流道设计，首先针对底部填充不良的问题，在底部增加了流道；顶端去掉了搭桥，金属液将不会有回流，顶部充型可以更快些；对铸件中心部位的点冷管进行了延长，使冷却水对中心作用更强。

对这两种方案分别再次进行模拟，结果如下图 2-11，2-12 所示。可以发现方案 3 的充型温度比较高，底部充型也比较好，方案 4 底部充型虽然有所改进但是充型比方案 3 要慢。因此选择方案 3再次进行了试制，底部的冷隔问题得到了解决，但是顶部仍有水纹；中心厚大部位通过延伸了冷却水管，并控制 25 秒前就通入冷却水，粘模问题得到了抑制，但是凝固时间仍然很长，内部可能会有缩孔缩松缺陷。通过对模拟结果与试验件的对比分析，再次对浇道设计进行了修改，如图 2-13 所示。

3 流道设计方案的确定

对方案 5 进行了模拟，发现只是顶部有气体包卷的问题，充型顺序比较合理，温度降低比较少，对新方案再次进行了改模并试制。试制零件外观完好，无任何明显流痕问题，底部的冷隔问题得到了解决。中段粘模问题得到了控制。对零件进行了 X 光透视，机械加工及剖切，发现顶部的螺纹加工部位存在气孔，模拟的结果与零件对比如图 3-1，3-2 所示，对渗漏测试的通过率有一定的影响。中段厚大部位内部仍然有一些缩孔缩松，中段剖面的缩孔缩松如图 3-3 所示，由于壁比较厚所以不会影响渗漏测试。

再次对方案 5 的工艺进行了改进，增大了中段冷却水管的流量，在顶端进行了抽真空。通过实验批零件的测试，全部合格，模具验收合格。

4、结论

1、通过多个方案的模拟与试制件对比，得出了一致的结论，模拟的结果对模具设计起到了方向性的指导作用。

2、经过多次流道渣包及冷却管路的设计，工艺参数的调整，获得了高合格率的铸件。

3、事实证明，铸造 CAE 软件在模拟分析缺陷产生原因时起到了比较好的指导作用，模拟的结果能够反映出零件可能发生的缺陷问题。因此，在试模之前应该多进行模拟，确定最好的充型方案，以确保铸件的质量，避免修模改模造成的成本浪费。

参考文献： [1] Bastian K.M.A Look Back at the 20th Century Casting Process Simulation[J].Modern Casting,2000(12):43-45. [2] 柳百成 荆涛主编.铸造工程的模拟仿真及质量控制[M].北京:机械工业出版社,2001. [3] 谢秀真，王雷刚，黄瑶，徐海登，陈学美.汽车发动机铝合金缸盖罩高压压铸工艺及其改进[J].特种铸造及有色 合金，2008 28(8)：618-619