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研究的汽车转向器铸件使用ADC12铝合金成型，牌号为YZAlSi11Cu3，其化学成分如表1所示。图1所示为铸件结构，铸件为长管状，管体直径为φ53.5 mm，长度为557 mm，铸件壁厚不均匀，两端口结构较为复杂，有口径不同和空间方向不同的通孔，右端有2个管口且互相垂直，右端较大口径通孔与主管孔相通，后续模具设计时多处需要用到侧向抽芯机构。为了保证后续设计过程顺利进行，使用UG软件对铸件进行分析。![]()
图1 铸件结构通过UG软件使用滚球计算法分析得出图2所示为铸件壁厚云图，测得铸件平均壁厚为4.88 mm，最大壁厚为21.72 mm，与铸件实际厚度相符。测得铸件体积为5 496.72 cm3，质量为4.3 kg，无特殊表面质量要求。![]()
图2 铸件壁厚云图铸件为长管状，两端口形状复杂，且颈部壁厚较厚，成型难度较大，压铸过程中的压射比压值为85 MPa；为了避免铸件在冷却过程中因收缩过大导致表面和内部出现缩孔、裂纹等缺陷，浇铸温度取670 ℃，模具预热温度取150 ℃；为使铸件内部组织密度较高，达到预期的力学性能，选择5 s的保压时间，填充速度约为0.22 s。压铸设备选用DCC800冷室压铸机，其主要技术参数如表2所示。如图3（a）所示，根据铸件的结构，模具分型面选择直线型，上半部分为定模型芯，下半部分为动模型芯。在此处分模使模具结构简单，浇注系统的布置及内浇口位置的选择也更方便，型腔的排气条件及排溢系统的效果也更好。图3（b）所示空白处为滑块，由图3（c）可以看到其分型面不完全是平面，而有一处曲面，因为该处型腔结构较为复杂，平面分型难以脱模，此处改为曲面分型，不仅有利于脱模，还能减小填充时金属液流过此处的压力，使金属液更好地填充该端口复杂的型腔结构。![]()
图3 模具分型面
结合铸件的机构特征，模具设计为1模1腔结构。材料收缩率为0.55%，铸件轴向为深腔，需设置抽芯机构，左右两端各设置1个抽芯机构，左端抽芯机构抽拔行程为525 mm，右端抽芯机构抽拔行程为110 mm。右端还需设置1个斜抽芯机构，斜抽芯机构抽拔行程为120 mm。抽芯机构位置分布如图4所示。![]()
图4 抽芯机构位置分布采用侧浇口浇注系统，按铸件结构特点布置在铸件外侧面，这样模具结构能保持紧凑又可保持热平衡，也方便去除浇口凝料。选择内浇口类型为侧浇口，一共4个浇口。直浇道是传递压力的首要部位，是将金属液平稳引入横浇道和控制金属液填充条件的关键。直浇道的末端到内浇口前端的连接通道是横浇道，其作用是将金属液从直浇道引入内浇口，并借助横浇道中的金属液预热模具，当铸件冷却收缩时用来补缩和传递静压力。浇口位置如图5所示。![]()
图5 浇注系统铸件所用压铸机为卧式冷室压铸机，为确保铸件顺利脱模，直浇道倾斜度设置为10°，其结构如图6所示。![]()
图6 卧式冷室压铸机用直浇道排溢系统由溢流槽和排气槽两部分组成，能使金属液在充填铸型的过程中及时排出型腔中的气体、夹杂物等杂质，利于填充凝固，减少和防止铸件气孔缺陷的产生以保证铸件成型质量，还可以弥补一些由浇注系统设计不合理带来的缺陷。在左端口形状复杂处放置多个渣包，在剩余管体处均匀放置渣包，渣包、溢流槽和排气槽的排布模型如图7所示，溢流槽尾部开设排气通道以加强溢流与排气效果。![]()
图7 排溢系统冷却系统设计如图8所示，分别沿铸件位置垂直于分型面分布在定模与动模上。两端管口各有1条冷却水路，为了使管口型腔深处能更好地冷却，直浇道两侧各有1条平行的冷却水路。定模上有1条平行于分模面的冷却水路，动模上只有垂直于分模面的冷却水路，原因是动模一侧铸件形状复杂，有突出状的管口，不适合布置平行水路。![]()
图8 冷却系统将设计好的模架、型芯、浇口套、分流锥、支承柱、垫块、推杆、支承板、推板和抽芯机构等部件进行装配，模具整体装配如图9所示。![]()
图9 模具整体装配采用实际生产与数值模拟结合的方法确定合理的工艺参数，MAGMAsoft铸造模拟软件是改进金属铸件质量、优化工艺条件和降低生产成本的高效优化工具，能为市面上现有的铸造材料和铸造工艺确定合适的工艺参数和最佳的铸造工艺条件，对压铸工艺的实际生产过程有重要作用。以下使用MAGMAsoft软件对汽车转向器进行铸造工艺模拟，采用软件中充型过程粒子追踪功能获得流场中的流线、流速等信息。（1）充型过程分析。对铸件充型过程进行分析，从金属液进入浇口开始对物料踪迹进行观察，直到型腔填充完整，如图10所示，铸件充型过程顺利，型腔填充饱满。![]()
图10 充型过程（2）金属液流动速度分析。在充型开始到充型结束的压铸过程中，对4个浇口位置处金属液的流动速度进行分析，如图11所示。充型开始时，4个浇口处的金属液流速分别为60.560、76.527、97.232、84.424 m/s，每个浇口处的金属液流速均较高，因为开始充型时，型腔内部空旷，金属液进入型腔的阻力小，且金属液是高压喷射进入型腔，所以流速较快。充型结束时，与充型开始时对应的4个浇口处，金属液流速分别降为24.514、20.345、47.890、46.026 m/s。充型结束时，型腔内部已经被填充饱满，浇口处金属液进入型腔的阻力大，导致金属液流速降低。![]()
图11 金属液流速
（3）凝固过程分析。由图12（a）可知，开始凝固时，温度降低部位最先从排气板位置开始，顺着排气槽和溢流槽方向延伸，凝固方向与填充时金属液流动方向相反。由图12（b）可知，位于型腔中部的管体处最先凝固，此处壁厚较小且厚度均匀，所以凝固较快。铸件管体凝固完成后，两端口处还未凝固，左侧未凝固体积较大，右侧体积较小，两端口处管口形状较为复杂，为了使铸件达到强度要求，所以壁厚较厚，导致这两处的散热不均匀，为最后凝固部位。这两处可能出现热节导致缩孔缺陷的产生，后续需进行热节和缩孔分析。![]()
图12 铸件温度分布
（4）缺陷分析。热节是金属液在凝固过程中，铸件内比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域，也是最后冷却凝固的部位。在热节部位会出现缩孔、缩裂等缺陷，造成铸件强度下降，达不到使用要求。由图13可知，左端口通孔处有热节出现，右端口形状复杂，出现了多处热节。影响铸件热节的因素较多：铸件的结构、形状、尺寸及铸型的外形、尺寸等几何因素；浇注温度、浇注时间、浇冒口系统的类型及位置等工艺因素；金属液在铸型中流动的路径和流量等热力因素。由图14可知，热节导致左右两侧端口产生两处小缩孔，影响铸件整体结构强度，需对模具结构进一步优化。因出现的缩孔缺陷较细小，无需对模具整体结构进行优化，拟在型芯上对应热节出现的位置，添加冷却水道，加快该区域铸件的凝固冷却，然后再通过MAGMAsoft对优化后的结果进行检验。![]()
图13 热节分析![]()
图14 缩孔分析对模具冷却系统进行结构优化，如图15所示，对于左端出现热节的位置，在定模上再布置1条垂直于分型面的冷却水路，该水路靠近热节位置。对于右端出现热节的位置，因此处热节范围较大，在动模上再布置2条垂直于分型面的冷却水路，一条深入管体侧管口，另一条靠近热节位置。优化后再进行数值模拟，未发现缩孔等缺陷。![]()
图15 冷却系统优化为进一步验证优化后的压铸工艺方案和模具结构是否可行，根据数值模拟优化后的工艺参数和模具进行铸件试制，试制铸件实体如图16所示，经检验，铸件左右两端口充型饱满，铸件内部和表面无缩孔等缺陷，整体结构强度及性能满足使用要求，说明优化后的工艺参数合理，浇注系统和冷却系统设计合理。对压铸过程进行数值模拟，大幅缩短了产品的研发周期，节约了大量人力物力，为产品的实际生产提供了有效的参考依据。![]()
图16 铸件两端口▍作者单位：1. 重庆科技大学 机械与动力工程学院；2. 重庆勤光机械制造有限公司《模具工业》杂志不接受任何代理方式投稿，敬请作者访问网站投稿https://mjgy.cbpt.cnki.net/
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