邬智立

(上汽集团上海科尔本施密特活塞有限公司，上海201814)

摘要：活塞是汽车发动机的重要零件之一，活塞工作条件相当严酷，如高温、高负荷、高速运 动、润滑不良和冷却困难等。利用实际试制浇铸及模拟分析软件相结合的方法，分析铸件的成形过程，得到解决活塞铸造缺陷的方案。研究表明，活塞铸件裙部区域形成缩孔的原因是铸件 局部壁厚不均匀，从而有热节产生。受模具结构限制难以通过辅助冒口实现铸件有效补缩和顺序凝固。本研究针对活塞铸件，提出通过模拟分析手段优化模具冷却设计，从而达到消除铸件 缩孔缺陷的方法，并通过实际生产验证其可行性。

关键词：重力铸造；模拟分析；冷却优化；顺序凝固

引言

随着汽车发动机活塞轻量化程度的不断提高，活塞的热负荷和机械负荷都有了大幅度的 增加，这样就使活塞处在一个更严酷的工作环境中。因此，活塞铸件的材料必须具有特殊的 要求：热膨胀系数小、密度小、热传导性好；并要求具有合适的高温强度、耐腐性、耐磨性、 尺寸稳定性、等特点[1]。铝合金很大程度上正好满足了上述活塞工况的相关要求。

现在应用最广泛的浇铸材料是共晶铝硅合金。共晶铝硅合金是含硅量在11%〜14%的合 金[2]。随着硅含量的增加，Al-Si系合金的抗拉强度提高，到共晶成分点时达到最大，然后如 果继续增加硅的含量，由于生成粗大长针状初晶硅，恶劣的初晶硅形状使合金强度会急剧下 降[3]。目前，针对汽油机活塞的铸造方法一般通过金属型重力浇铸得以实现。本研究结合实 际生产情况，对共晶型铝合金活塞重力铸造工艺进行分析，并采用模拟分析软件研究生产过程中的铸件成形过程，从而寻找产生缺陷的原因，为后续工艺优化提供可行性方案。

1铸件结构与试制情况

为了既保证铝硅合金的固有特点，又使力学性能有大幅度提高，从而使得该合金应用更 广泛，近几十年来，世界各国铸造工作者研究并采用了不少行之有效的措施[4]。本案例活塞 铸件采用的铝合金材料牌号为KS1295的共晶铝硅合金，该材料具有合金膨胀系数小、密度 小、耐磨、耐蚀，流动性、抗热裂性好、切削加工性及表面处理特性均较好等一系列优点。 该活塞铸件造型较为复杂，包括了多处深腔及薄壁区域。图1所示为活塞铸件的三维结构图。 铸件质量：398 g;铸件体积：172 mm3;冒口体积：27.4 mm3;饶注系统体积：45 mm3;零 件外形尺寸约为：0 88。该活塞铸件在发动机工况下所城守的机械性能要求：最大功率承载 功率为155kW(211PS)/5500rpm，最大承载扭矩为350 Nm/ 1200-4000 rpm;材料硬度不 得低于HB 140。

根据公司现有的设计标准，结合实际浇铸需求，该铸件采用KostaV型一模两腔重力铸 造浇铸机进行生产。实际试制过程中的模具温度为210°C，铝液的浇铸料温约为780°C，倒 料速度为95cm3/s，凝固时间为70s。试制后，将活塞铸件外圆车削到指定的检测直径，并通过CT扫描后发现在活塞铸件的裙部区域靠近浇道一侧存在大小约为1.2mm左右的细小孔洞。在通过宏观渗透试验复检，对比CT扫描结果，在同一区域着色剂渗透后也发现了相关缺陷，CT及宏观检测结果如图2和图3所示。根据公司相关铸件质量标准的要求，该缺陷发生的位置所在区域为活塞裙部，其表面与发动机缸体有着持续接触摩擦的需求，因而该 缺陷位置属于活塞工况高载荷区域，其铸件缺陷必须得到进一步的改善。

2识别缺陷与分析结果

铸造缺陷一般是在铸造成形过程中产生的，在铸件表面和内部产生的各种缺陷也都发生 在铸件的填充或凝固阶段。而铝合金活塞的铸造缺陷往往也是导致该零件在发动机试验或实 际使用过程当中性能低下、使用寿命短、报废甚至是失效的重要原因。分析铝合金活塞铸件缺陷的形貌、特点、产生原因及其形成过程，目的是防止、减少和消除其铸件缺陷。消除和减少铝合金活塞铸件缺陷也是铸件质量控制的重要组成部分。

通过对缺陷识别相关方法的应用，同时结合模拟分析手段进行分析，以此提升缺陷的识别能力并找到根本原因，为最终找到解决相关缺陷的方案提供有力的技术支持。目前，所用的铸件缺陷识别及结果分析流程如图4所示。

2.1发现问题

在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。 凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效 率都非常重要。凝固过程数值模拟可以实现下述目的：1)预知凝固时间以便预测生产率；2) 预知开模时间；3)预测缩孔和缩松；4)预知铸件的表面温度以及内部的温度分布，以便预 测铸件成形情况，方便铸件设计；5)控制凝固条件[5]。

2. 2收集数据

模拟分析的参数设置与机床参数设置基本保持一置，如表一至表三所示。

2. 3缺陷识别

根据CT及宏观着色渗透的实验的检测结果，在活塞铸件的裙部区域存在的缺陷为疑似 缩孔，而这一缩孔可能主要是在铸件的凝固过程中产生的。由于铝的收缩率大，虽然加入了 硅使收缩率大大下降，但依然容易产生缩孔缺陷。对比实际试制过程中所出现的缺陷，其特 征为表面凹陷，无具体形状，内部粗糙不平，颜色略微发黑，与传统的铸件缩孔缺陷外观相 吻合，因此初步判定该活塞铸件裙部区域的缺陷为的缩孔。

2. 4模拟验证

铸造模拟分析的计算机模拟流程基本如下。首先，利用模拟分析软件完成铸件及模具的 几何模型创建，并对所有模型进行计算前网格划分的前处理；再将相应的工艺参数输入，而 后由计算机模拟整个铸件成形的充填及凝固过程；最终，根据计算结果对相关缺陷的产生情 况进行对应的后处理分析。对于活塞铸件成形的重力铸造模具而言，冷却系统作为重要的工 艺控制手段往往对铸件成形质量起到至关重要的作用。本次模拟过程中的冷却水路设置与实 际情况保持一致，该模具冷却水路包括顶模冷却、内模冷却及销子冷却，如图5所示。

2. 5分析结果

导致活塞铸件裙部产生缩孔的原因有很多，该缺陷一般产生在活塞铸件内腔壁厚突然增 厚或减薄的地方。由于缩孔主要是在凝固阶段产生的，因而其位置和大小尺寸也往往是相对 固定。通过对凝固阶段的液相分布状态的分析，原本来自活塞顶部冒口区域的补缩通道在凝 固过程中被中断，继而在裙部区域产生液相孤岛。图6所示为凝固过程中的产品剖切截面的 液相分布情况，其中，红色线框内为活塞铸件裙部壁厚差造成的在凝固时所形成的液相孤岛。

液相孤岛的存在势必会在该区域产生热节，同时发现在该产品裙部薄壁厚处存在显著的 壁厚差，因而，该热节是很大程度上是由于铸件结构性原因所造成的。模拟分析软件对铸件 凝固过程计算模拟分析发现缩孔的位置如图7所示，红色线框部位出现较大体积的发生缩孔 的概率，这也证明了该区域及其有可能产生缩孔。从热节的角度考虑，图6中红色线框部分 出现的液相孤岛，与凝固过程中出现热节的位置一致。通过模拟发现，理论的缩孔位置与实 际缺陷的发生位置相吻合。

消除活塞铸件裙部缩孔常用的工艺调控手段包括优化冒口设计，更改浇道进浇口尺寸或 增设保温石棉的方法来调节活塞铸件厚大部位的凝固顺序，以减小热节风险，达到消除或减 少缩孔或疏松缺陷。在产品结构允许的情况下，通过合适优化模具设计减少壁厚差可以有一 定的改善效果；当然，还可以通过增加工艺补缩冒口的形式来达到消除缩孔的目的。但由于 铸件冒口离缩孔区域又比较远，因此该种工艺对增加该区域的补缩量起不到有效的改善作用。同时，出现缩孔的部位为浇道及铸件连接的区域，在模具上对应的空间也比较紧凑，致使浇 道设计优化和加保温石棉的工艺在此铸件上难以实现。

经研究发现，浇道口过早冷却在很大程度上也影响了进浇区域由浇道向铸件的补缩效果。 由于冷却顺序不当，活塞产品结构使其裙部在铸件凝固过程中极易产生缩孔。而模具冷却系 统的设计不够完善，也使得铸件未能实现顺序凝固，导致活塞铸件去不在凝固收缩过程中形 成较大体积液相孤岛，继而产生热节以导致缩孔与疏松等缺陷。

3模具冷却结构改进方案

如图8所示，由于模具统一采用公司的标准化结构设计，而缺陷区域的成形零件主要与 两部分模具零件相接触。一部分是标准化结构的外模，主要负责成形活塞铸件的外圆及裙部 造型；另一部分是标准化结构内模，主要负责成形活塞内腔及止口处的造型。该内模的原始 设计是由左右两块不带冷却水路的内模小片以及中间一块带冷却水路的内模中片所构成。而 铸件所在的热节正好位于这两个零件之间的区域，即缩孔发生的位置区域正好介于铸件本体与浇道之间。

改善方法是在原有内模设计的基础上增加进浇侧内模小片的冷却水路设计，通过模具水道的合理布置和内模、外模、销子、顶模通水时间的合理控制来使活塞实现铸件的顺序凝固。增加水路后尽可能使进浇测的内模小片温度与中片温度的差异减小，延长铸件顶部冒口对原有裙部热节处在凝固时的补缩；同时，通过加强进浇道侧小片的冷却，使铸件在该区域实现 由内模向外模的定向凝固，最终将铸件本体上原有位置的热节转移到浇道上，使其最后凝固，以此消除铸件上的缩孔缺陷。

通过增加内模的冷却强度，降低该处铸件裙部的热容量，进而实现顺序凝固，消除缩孔和疏松，具体措施如下：（1)移除内模小片上的导轨到内模中片上，增加内模小片开设冷却水路的空间（2)在原有进浇道侧内模小片上增加冷却水路，以此控制该区域模具的冷却程度。内模小片改善前后的对比情况如图9所示。

4改进后的结果

对改进前后的方案进行模拟对比分析，可以发现改进前的模拟结果的红色线框标识处显 示出现热节处，改进后模拟分析发现该处热节消失，且凝固过程中基本实现了顺序凝固，未 出现较大体积的液相孤岛。指导实际改模生产，对比改模后产品CT扫描的检测结果分析， 此处的缩孔、疏松缺陷得以消除，如图10至图12所示。

5总结

通过模拟软件发现产品本体与浇道在交汇处出现的热节，与实际生产中该位置出现的缩孔基本吻合，并通过分析找到了相应的解决方案。本研究通过生产试制与模拟研究相结合，提高了工作效率，同时为模具结构设计和模具设计优化提供了可行性方案。对于此类铝合金 铸件活塞结构的研究发现，通过增设内模小片的冷却水路改善内模的冷却强度来增加铸件定向补缩的效果，可有效消除零件某些部位的缩孔及疏松缺陷，并在实际生产中效果十分显著。在模具设计中通过前期的模拟分析，可有效提升模具设计的一次成功率，减少试模工作量， 改善产品质量并降低生产成本。