活塞擠壓模具設(shè)計論文范文

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1材料及工藝參數(shù)

在現(xiàn)有Al－Si系合金的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化合金成分設(shè)計和組織設(shè)計，設(shè)計出一種新型高Cu、高Ni的Al－Si合金，其化學成分見表1。Cu在合金中可形成Al2Cu、Al4Mg5Cu4Si4、Al2CuMg等強化相，使其室溫抗拉強度和高溫持久強度顯著增大，且當合金中同時加入Cu和Mg時組織中出現(xiàn)Mg2Si、CuAl2強化相，提高了其耐熱性和高溫強化效果。另外，Cu還可以改善合金的切削加工性，降低表面粗糙度。在活塞合金中加入了適量Ni，可形成硬脆彌散的Al3Ni相及Al9NiFe相，彌散的Al3Ni相使合金硬度提高，線膨脹系數(shù)降低，而Al9NiFe相本身的熱穩(wěn)定性很好，對于保證活塞的尺寸穩(wěn)定性有十分重要的意義。此外，在合金中Cu和Ni還有相互促進強化的作用。

2正交試驗設(shè)計及數(shù)值模擬

鑄件模具結(jié)構(gòu)見圖3，利用Flow－3D軟件來模擬擠壓鑄造充型及凝固過程。

2．1正交試驗設(shè)計在擠壓鑄造工藝過程中，沖頭速度、澆注溫度和模具溫度是影響擠壓鑄造件品質(zhì)最主要的3個因素。為了對這3個因素進行優(yōu)化，采用3因素3水平正交試驗設(shè)計。正交設(shè)計的因素－水平表見表2，正交試驗方案見表3。

2．2充型過程數(shù)值模擬分析比較多次模擬分析結(jié)果可知，當澆注溫度為810℃，模具溫度為200℃，壓頭速度為0．6m／s時，充型平穩(wěn)、無卷氣發(fā)生，整個充型過程在0．452s內(nèi)完成，各充填狀態(tài)見圖4。金屬液用定量勺澆入型腔內(nèi)，壓頭以較快的速度自上而下運動，當壓頭接觸型腔內(nèi)金屬液面時，降低壓頭的運動速度，壓頭以0．6m／s的速度運動，此時金屬液由底部開始逐步向上充填，流動前沿自由表面光滑，沒有噴濺。隨著壓頭的運動，活塞外圓部分溫度首先開始降低，且在型腔還未全部充滿時，活塞外圓邊緣金屬液已經(jīng)凝固，容易產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷。

2．3凝固過程模擬分析對活塞的凝固過程進行模擬，圖5為活塞凝固時的溫度場分布。鑄件充型完畢后，在給定的壓力下對鑄件進行保壓凝固，鑄件凝固迅速。首先是活塞外圓部分開始凝固，接著是活塞裙部凝固，最后活塞頂部和活塞銷座凝固。由此可見，隨著凝固進行，活塞銷座部分仍保持有壓力補縮通道。

3工藝及模具結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)金屬液充填情況及凝固的溫度場分布可以看出，在活塞外圓部位的金屬液早于其他部位凝固，且與其他部位的溫差較大。為提高擠壓鑄造件的品質(zhì)，增加溢流集渣包尤為必要?？紤]到活塞的結(jié)構(gòu)特點，溢流槽、排氣孔設(shè)置在活塞外圓處較為理想，可以通過頂桿、分型面間隙、以及溢流等方式排氣。溢流槽設(shè)計寬度為15～20mm，厚度為3～8mm，溢流口尺寸設(shè)置為1～3mm漸變過渡，見圖6。

4試驗結(jié)果

基于上述最優(yōu)工藝及模具結(jié)構(gòu)，對擠壓鑄造生產(chǎn)的活塞毛坯進行T5處理，即將活塞毛坯在165℃下保溫2．0～2．5h，未產(chǎn)生氣泡。經(jīng)測試，其常溫抗拉強度達到303MPa，屈服強度達到268MPa，體積穩(wěn)定性控制在0．017％以內(nèi)，符合活塞在使用性能上的要求。

5結(jié)論

（1）設(shè)計并優(yōu)化了輕載動力機械用的薄壁高強韌鋁合金活塞的擠壓鑄造工藝方案及模具結(jié)構(gòu)，采用Flow－3D數(shù)值模擬軟件優(yōu)化出了最優(yōu)的工藝方案。（2）對最優(yōu)工藝方案進行充型和凝固過程模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)。經(jīng)生產(chǎn)試驗驗證，基于最優(yōu)工藝及優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的活塞符合其使用性能要求。

作者：朱虎王乾廷王火生戴品強張丹單位：福州大學材料科學與工程學院福建工程學院材料科學與工程學院福州鉅全汽車配件有限公司