鋁合金活塞鑄造過程中低壓鑄造工藝的有限元模擬研究

何智邦

（黃河鑫業有限公司，青海 西寧 810000）

在社會生產生活都依賴于各種機械設備的平穩運行情況下，金屬零部件的腐蝕問題成為生產生活的巨大安全隱患。未經過防銹處理的金屬零部件可能因為接觸空氣和水分而發生銹蝕現象，金屬零部件的防銹能力不僅決定著機械設備的性能和生產效率，甚至可能影響著操作設備人員的生命財產安全。在這種情況下，相對不容易被腐蝕的鋁合金材料，以其抗高溫、耐壓、耐腐蝕等在惡劣環境下維持穩定性能的特性得到了越來越廣泛的運用[1]。

目前汽車發動機等動力機械中使用的活塞都屬于鋁合金材質，而這種鋁合金活塞的鑄造通常采用低壓鑄造工藝，這種工藝技術具有極強實用性，能夠制造出質量優良、組織致密、結構強度強的活塞部件，相比傳統工藝而言不僅提高了生產質量，也提高了生產效率，具有明顯優勢[2]。但這種工藝在運用在實際生產過程中也存在一定缺陷，可能導致鑄件縮孔等問題的出現，而使用計算機技術和有限元計算軟件對鑄件鑄造過程進行數值模擬能有效對鑄造工藝的實施進行改善。因此對鋁合金活塞鑄造過程中低壓鑄造工藝的有限元模擬進行研究具有深遠的現實意義。

1 低壓鑄造工藝的有限元模擬方法設計

（1）建立鋁合金活塞幾何模型。本文使用ANSYS軟件進行有限元模擬方法設計，這一軟件具有建模功能，因此可以用其自身建模模塊直接建立鋁合金活塞的幾何模型。但是這一方法相對復雜，其自帶的建模模塊在應對非對稱形狀的部件時，需要輸入所有關鍵點坐標值才能完成模型構建，因此這一方法相對效率較低。本文采用的幾何模型建立方法是直接將CAD軟件中的數據模型導入ANSYS軟件。ANSYS軟件具有極強適應性，能夠與CAD軟件完成數據和圖形傳輸，使用ANSYS軟件讀取CAD傳送的圖形文件，不僅能提高建模效率，還能有效減小建模誤差，提高模擬過程的精確度。

（2）有限元模型轉化。對建立的幾何模型進行網格劃分，采用有限元法，用多邊形網格離散復雜形狀的邊界，保證劃分之后的微元邊界盡可能接近原始區域的邊界。為提高精確度的同時提高工作效率，可以使用密集的網格劃分部件靠近壁面的部分，使用稀疏粗大的網格處理遠離部件壁面的區域。本文采用如上方法對建立的幾何模型進行網格劃分，采用較小的網格尺寸進行劃分，從而建立起有限元模型。

（3）模擬參數。通常情況下活塞所使用材質多為A356鋁合金，這種材料的物理性能如表1所示。

表1 鋁合金物理性能

ANSYS軟件會提供系統自帶的熱交換系數和活塞材料參數，對進行低壓鑄造時需要模擬的參數進行設置，模擬從活塞鑄造模型底部注入鋁液時需要設置的各項參數值如表2所示。

表2 模擬參數設置

增壓時間(s) 8增壓壓力(Pa) 8.5*104保壓時間(s) 260保壓壓力(Pa) 8.5*104卸壓時間(s) 50卸壓壓力(Pa) 0充型速度(Pa/s-1) 1*103凝固時間(s) 330

通過建立鋁合金活塞的幾何模型，運用網格劃分將幾何模型轉化成有限元模型，設置相關低壓鑄造參數，在軟件中進行低壓鑄造工藝的有限元模擬。完成有限元模擬方法設計。

2 實驗論證

圖1 實驗結果對比圖

為研究本文設計的鋁合金活塞鑄造中的低壓鑄造工藝的有限元模擬方法在實際模擬過程中的準確性，設計對比實驗。實驗選取一組鋁合金活塞部件，記錄其真實鑄造數據，分別使用本文設計方法和傳統方法對鋁合金活塞的低壓鑄造過程進行模擬，將模擬結果與實際數據進行對比，繪制實驗結果對比圖。實驗結果如圖1所示。

在使用本文方法進行模擬時，其準確度一直高于傳統方法，在使用本文方法進行低壓鑄造工藝的有限元模擬時準確度一直維持在80%～10%之間，具有極高的準確性，且無論活塞鑄造復雜程度變化情況都能維持穩定的運行狀況。而使用傳統方法進行模擬預測時其準確度從20%～80%產生了較大波動，雖然在活塞的鑄造過程相對簡單時能夠維持相對高的準確度，但是隨著活塞鑄造復雜程度的增加，這一方法的準確度逐漸下降。通過上述結論可以得知本文設計有限元模擬方法相比傳統模擬方法而言具有明顯優勢，能提高40%的預測準確度，推廣使用這一模擬方法具有深遠現實意義。

3 結語

本文使用ANSYS軟件完成了對低壓鑄造工藝的有限元模擬方法的設計，首先建立鋁合金活塞的幾何模型，然后運用網格劃分將幾何模型轉化成有限元模型，最后設置相關低壓鑄造參數在軟件中進行模擬。希望本文的研究能夠為鋁合金活塞鑄造過程中低壓鑄造工藝的有限元模擬研究提供理論依據。