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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(guò)優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種新型高Cu、高Ni的Al－Si合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。Cu在合金中可形成Al2Cu、Al4Mg5Cu4Si4、Al2CuMg等強(qiáng)化相，使其室溫抗拉強(qiáng)度和高溫持久強(qiáng)度顯著增大，且當(dāng)合金中同時(shí)加入Cu和Mg時(shí)組織中出現(xiàn)Mg2Si、CuAl2強(qiáng)化相，提高了其耐熱性和高溫強(qiáng)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(duì)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(jìn)強(qiáng)化的作用。

2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

鑄件模具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，利用Flow－3D軟件來(lái)模擬擠壓鑄造充型及凝固過(guò)程。

2．1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在擠壓鑄造工藝過(guò)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(gè)因素。為了對(duì)這3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，采用3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。正交設(shè)計(jì)的因素－水平表見(jiàn)表2，正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

2．2充型過(guò)程數(shù)值模擬分析比較多次模擬分析結(jié)果可知，當(dāng)澆注溫度為810℃，模具溫度為200℃，壓頭速度為0．6m／s時(shí)，充型平穩(wěn)、無(wú)卷氣發(fā)生，整個(gè)充型過(guò)程在0．452s內(nèi)完成，各充填狀態(tài)見(jiàn)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓頭接觸型腔內(nèi)金屬液面時(shí)，降低壓頭的運(yùn)動(dòng)速度，壓頭以0．6m／s的速度運(yùn)動(dòng)，此時(shí)金屬液由底部開(kāi)始逐步向上充填，流動(dòng)前沿自由表面光滑，沒(méi)有噴濺。隨著壓頭的運(yùn)動(dòng)，活塞外圓部分溫度首先開(kāi)始降低，且在型腔還未全部充滿(mǎn)時(shí)，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(guò)程模擬分析對(duì)活塞的凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，圖5為活塞凝固時(shí)的溫度場(chǎng)分布。鑄件充型完畢后，在給定的壓力下對(duì)鑄件進(jìn)行保壓凝固，鑄件凝固迅速。首先是活塞外圓部分開(kāi)始凝固，接著是活塞裙部凝固，最后活塞頂部和活塞銷(xiāo)座凝固。由此可見(jiàn)，隨著凝固進(jìn)行，活塞銷(xiāo)座部分仍保持有壓力補(bǔ)縮通道。

3工藝及模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)金屬液充填情況及凝固的溫度場(chǎng)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。考慮到活塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，溢流槽、排氣孔設(shè)置在活塞外圓處較為理想，可以通過(guò)頂桿、分型面間隙、以及溢流等方式排氣。溢流槽設(shè)計(jì)寬度為15～20mm，厚度為3～8mm，溢流口尺寸設(shè)置為1～3mm漸變過(guò)渡，見(jiàn)圖6。

4試驗(yàn)結(jié)果

基于上述最優(yōu)工藝及模具結(jié)構(gòu)，對(duì)擠壓鑄造生產(chǎn)的活塞毛坯進(jìn)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(cè)試，其常溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到303MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到268MPa，體積穩(wěn)定性控制在0．017％以?xún)?nèi)，符合活塞在使用性能上的要求。

5結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)并優(yōu)化了輕載動(dòng)力機(jī)械用的薄壁高強(qiáng)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(duì)最優(yōu)工藝方案進(jìn)行充型和凝固過(guò)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(yàn)驗(yàn)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(qiáng)張丹單位：福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院福州鉅全汽車(chē)配件有限公司