活塞挤压模具设计论文

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1材料及工艺参数

在现有Al－Si系合金的基础上，通过优化合金成分设计和组织设计，设计出一种新型高Cu、高Ni的Al－Si合金，其化学成分见表1。Cu在合金中可形成Al2Cu、Al4Mg5Cu4Si4、Al2CuMg等强化相，使其室温抗拉强度和高温持久强度显著增大，且当合金中同时加入Cu和Mg时组织中出现Mg2Si、CuAl2强化相，提高了其耐热性和高温强化效果。另外，Cu还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适量Ni，可形成硬脆弥散的Al3Ni相及Al9NiFe相，弥散的Al3Ni相使合金硬度提高，线膨胀系数降低，而Al9NiFe相本身的热稳定性很好，对于保证活塞的尺寸稳定性有十分重要的意义。此外，在合金中Cu和Ni还有相互促进强化的作用。

2正交试验设计及数值模拟

铸件模具结构见图3，利用Flow－3D软件来模拟挤压铸造充型及凝固过程。

2．1正交试验设计在挤压铸造工艺过程中，冲头速度、浇注温度和模具温度是影响挤压铸造件品质最主要的3个因素。为了对这3个因素进行优化，采用3因素3水平正交试验设计。正交设计的因素－水平表见表2，正交试验方案见表3。

2．2充型过程数值模拟分析比较多次模拟分析结果可知，当浇注温度为810℃，模具温度为200℃，压头速度为0．6m／s时，充型平稳、无卷气发生，整个充型过程在0．452s内完成，各充填状态见图4。金属液用定量勺浇入型腔内，压头以较快的速度自上而下运动，当压头接触型腔内金属液面时，降低压头的运动速度，压头以0．6m／s的速度运动，此时金属液由底部开始逐步向上充填，流动前沿自由表面光滑，没有喷溅。随着压头的运动，活塞外圆部分温度首先开始降低，且在型腔还未全部充满时，活塞外圆边缘金属液已经凝固，容易产生冷隔、浇不足等缺陷。

2．3凝固过程模拟分析对活塞的凝固过程进行模拟，图5为活塞凝固时的温度场分布。铸件充型完毕后，在给定的压力下对铸件进行保压凝固，铸件凝固迅速。首先是活塞外圆部分开始凝固，接着是活塞裙部凝固，最后活塞顶部和活塞销座凝固。由此可见，随着凝固进行，活塞销座部分仍保持有压力补缩通道。

3工艺及模具结构改进

根据金属液充填情况及凝固的温度场分布可以看出，在活塞外圆部位的金属液早于其他部位凝固，且与其他部位的温差较大。为提高挤压铸造件的品质，增加溢流集渣包尤为必要。考虑到活塞的结构特点，溢流槽、排气孔设置在活塞外圆处较为理想，可以通过顶杆、分型面间隙、以及溢流等方式排气。溢流槽设计宽度为15～20mm，厚度为3～8mm，溢流口尺寸设置为1～3mm渐变过渡，见图6。

4试验结果

基于上述最优工艺及模具结构，对挤压铸造生产的活塞毛坯进行T5处理，即将活塞毛坯在165℃下保温2．0～2．5h，未产生气泡。经测试，其常温抗拉强度达到303MPa，屈服强度达到268MPa，体积稳定性控制在0．017％以内，符合活塞在使用性能上的要求。

5结论

（1）设计并优化了轻载动力机械用的薄壁高强韧铝合金活塞的挤压铸造工艺方案及模具结构，采用Flow－3D数值模拟软件优化出了最优的工艺方案。（2）对最优工艺方案进行充型和凝固过程模拟分析，根据分析结果，优化了模具结构。经生产试验验证，基于最优工艺及优化的模具结构生产的活塞符合其使用性能要求。

作者：朱虎王乾廷王火生戴品强张丹单位：福州大学材料科学与工程学院福建工程学院材料科学与工程学院福州钜全汽车配件有限公司