刘吉东，邹晓华，邹晓东，柴胜林

华晨宝马汽车有限公司 辽宁沈阳 110143

1 序言

低压铸造技术具有工艺出品率高、充型平稳、自动化程度高等特点，是实现汽车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施[1]。低压铸造首先是将干燥的压缩空气压入密封坩埚内的液面上，使金属液在气体压力的作用下，沿升液管自下而上地上升充满升液盆，再通过浇口和浇道平稳地充满铸型，并在压力下凝固。然后释放液面上的气体压力，使浇口、升液盆和升液管中没有凝固的金属液靠自重流回到坩埚中。最后，将铸型打开，取出铸件[2]。

在低压铸造过程中，压力曲线控制着铝液从升液、充型、增压、保压直至泄压的全过程，因此合理的压力曲线是生产合格铸件的保证。本文以我公司生产的某铝合金发动机缸体铸件为例（外形尺寸约为430mm×360mm×330mm，最小壁厚4mm），在低压铸造系统条件下（见图1），探讨了压力曲线的设定思路。

图1 低压铸造系统示意

2 升液阶段压力曲线的设定

这里将铝液进入模具型腔前的过程称为升液阶段。升液阶段可以再分三步：第一步，在升液管中上升；第二步，从升液管到升液盆的过渡；第三步，在升液盆中上升直至充满浇口浇道。

铝液在升液管内上升的过程中流经的距离越小，则温度损失就越少，充型速度可以缓慢一些。如果流经距离较大，充型速度就需要相应地提高一些，否则会有浇不足的风险。生产过程中经常在坩埚液位较低时，如果伴随着长时间的停机导致系统温降，或铝液温度接近下限时，则会产生浇不足缺陷。为了预防这种缺陷，这一阶段的升液速度要快一些，但是要保证液态金属在升液管中流动平稳，使其处于层流状态，其升液速度v升要小于v临，保证铝液层流的临界速度为0.5m/s[3]。

从升液管到升液盆的过渡过程中，铝液从升液管中间向升液盆四周扩散，会产生剧烈的波动，笔者通过Flow-3D Cast对此过程进行数值模拟，可以观察到铝液的波动状态随着升液速度的减慢而减小，当升液速度在上一个阶段的基础上减半后，已经基本消除了严重的紊流和卷气风险，如图2所示。

图2 铝液从升液管进入升液盆过程的模拟

铝液从升液盆进入浇口浇道的过程中，液面从大截面进入到小截面，面积比较大，需要减慢速度，这也是整个充型过程中最缓慢的阶段，否则就会产生喷溅现象[3]，如图3所示。喷溅后的金属在重力作用下回落，容易将气体及液态金属表面氧化物卷入液态金属内部，导致卷气、夹杂缺陷。

图3 在不同流速下液体进入铸型的情况

3 充型和增压阶段压力曲线的设定

铸造模具是一个半封闭系统，型腔中的气体会对铝液产生一定的反压力。同时，合金随着温度降低，黏度逐渐增大，与型壁之间的摩擦力也逐渐变大，形成对铝液的阻力。为了对抗这些阻力，并达到良好的补缩效果，在铝液完全充满型腔后，要迅速加压，提高底部对上部的补缩效率。加压时要保证铸件表层已经结壳，否则过大的压力可能导致铝液从模具的排气通道溢出，造成“跑火”。由于缸体铸件属于薄壁件，凝固较快，所以将充型和增压连续进行。

增压后最终充型压力值的计算式[4]为

式中P——充型压力（Pa）；

H——合金液从液面上升到铸件顶部的总高度（mm）；

γ——合金液在浇注温度时的密度（kg/dm3）；

μ——阻力系数，一般取μ＝1.0～1.5。

本产品材质为A 3 5 6 铸造铝合金，H为1390mm，铝液在700℃时密度为2.4kg/dm3，考虑到各种阻力的综合系数和增压因素，取μ＝1.1。将以上数值代入式（1），并换算单位为mbar（1mbar＝102Pa），得

铝液填充型腔的过程中，过慢的速度会使铸件产生冷隔和浇不足等缺陷，因此需要在平稳的基础上快速充型。借鉴之前的生产经验，通常选择充型速度为15～20mm/s。

4 保压阶段压力曲线的设定

保压是指保持恒定的压力，保证铸件在压力作用下结晶凝固。一般直接采用增压后的最终压力作为保压压力。

保压时间是保压阶段的重要控制参数。若保压时间不足，则铸件的凝固得不到充分补缩，容易产生缩松、缩孔，甚至出现铸件底部因未凝固而回流的现象； 若保压时间过长，则会降低生产效率，严重时还可能导致浇口下端凝固，造成铸件难以脱离底模[5]。

保压时间与铸件的壁厚、结构，浇口形状，液态金属的温度及热导率，铸型的温度、热导率及冷却条件，坩埚内液态金属的余量，以及升液管和升液盆是否有加热保温措施等有关[6]。通常以浇口浇道的凝固状态为主要依据，可以用模拟结果中浇口浇道处的固相率作为判定条件。通过MAGMASOFT铸造模拟软件对凝固过程进行模拟，根据固相分数的结果，当浇口颈部的固相分数为50%左右时（见图4），即可开始释放作用在液面的压力。因为此时已经不能通过底部的压力促进浇口对铸件的补缩，而且浇口浇道也具备了一定的强度，所以不会产生回流现象。利用泄压和开模前的20s左右时间可以让浇口浇道充分凝固。

图4 浇口颈部泄压前的固相分数模拟结果

5 泄压阶段压力曲线的设定

传统的低压铸造工艺不考虑泄压过程的速度控制，直接开起泄压阀门，几秒钟的时间就将坩埚液面上的压缩空气释放出来。

在生产过程中，坩埚内的液态金属要在高温状态下保持2～3h，因多次加压排气引起液面的波动，会在液面上产生相当厚的氧化物层。坩埚液面处于低位时，泄压过程中铝液的量在剩余铝液的占比较大，会引起较大的扰动（见图5），有可能把氧化物带到坩埚底部，充型时随液流进入型腔，使铸件中产生夹杂缺陷的概率增加[7]。

图5 泄压过程中产生的扰动

除了控制升液管下端与坩埚底的间隙不要太小，及时换坩埚或者补充铝液，还可以设定泄压曲线，采用压力调节阀控制泄压的速度，让升液盆和升液管里的铝液缓慢地回流到坩埚中。本案例选择用20s的时间缓慢泄压。

6 最终的压力曲线

通过以上分析、计算和模拟，经过试生产，评估质量指标，最终确定了合理的压力曲线，如图6所示，其时间-压力关系见表1。在不同压力阶段对应的升液速度和高度如图7所示。

图6 缸体铸件的低压铸造曲线

表1 时间-压力关系

图7 不同压力阶段对应的升液速度及高度

7 结束语

1）低压铸造压力曲线的设定需要考虑各个阶段的特点，结合铸件结构、模具温度、模具排气系统等因素，调整加压速度和时间。

2）制定压力曲线需要结合理论计算和数值模拟等方法，并通过实际生产验证，以获得保证质量稳定的方案。