1、镁合金盖类零件工艺分析及浇注与排溢系统设计

1.1 镁合金盖类零件工艺分析

研究的盖类零件需同时满足强度、密封性、耐蚀性与成型性要求，结合现有镁合金材料特性，选取AZ91D合金，其兼具优异的抗拉强度、伸长率与耐蚀性，成型难度较低，适合复杂结构盖类零件的批量生产，因此确定其为此次研究的关键材料。

铸件三维模型如图1所示，以某汽车电机端盖为设计原型，利用UG NX 软件进行三维建模，重点优化以下结构参数：外形尺寸为170 mm×1 500 mm×35 mm，平均壁厚为3.5 mm。此外，铸件表面要求光滑，内部不允许存在影响力学性能的缩松和裂纹。经计算锁模力，使用DCC280T压铸机生产。

图1   电机端盖结构

1.2 浇注与排溢系统设计

浇注系统是引导镁合金熔体从压射喷嘴进入模具型腔的通道，其设计决定了熔体填充模式、温度分布和最终铸件的内部质量。平稳充型引导熔体以近似层流的方式顺序填充型腔，避免湍流、喷射和卷气。

建立从铸件远端到内浇口、再到溢流槽的理想温度梯度，利于补缩和排气。在保证成型铸件质量的前提下，尽量减少浇注系统体积，提高材料利用率，需保证其直径与压室直径匹配，表面光滑以减小流动阻力，通常要求流道长度尽可能短，以减少热量损失和金属粘附，横浇道连接直流道与内浇口，起分配和过渡作用。浇口截面形状多为梯形，需具有足够的截面积以保持熔体流速，并起到一定的挡渣作用。

对于大型或复杂端盖，可采用扇形横浇口，以更均匀地将熔体分配至多个内浇口。浇口开设在铸件较厚、易于清理或后续加工的部位，通常优先选择盖类零件的中心或非重要外观面。内浇口方向应使熔体冲击型芯或型腔壁，以降低速度、减少动能，避免直接冲击型腔壁导致粘模或卷气。

内浇口截面积是控制熔体填充速度的关键，对于镁合金，由于其热容小、凝固快，内浇口通常采用较浅的深度（常为铸件壁厚的50%~70%）和较大的宽度。较浅的内浇口有利于在填充结束后快速凝固，便于喷嘴压力有效传递至型腔进行补缩，也便于切除浇口凝料。

溢流槽与排气槽虽常被归为排气系统，但其设计关联浇注系统。溢流槽通常设置在熔体最后填充的区域，用于容纳冷污金属、气体和涂料残渣，并建立热平衡。排溢系统与浇注系统如图2所示。

图2   排溢系统与浇注系统

2、压铸过程模拟及工艺优化

2.1 预处理

基于UG平台构建了包含铸件、浇注系统与排溢系统的三维模型，并将模型数据导入AnyCasting仿真软件。材料物理性能参数设定如下：铸件材料选用AZ91D镁合金，模具型腔板及镶件材料定义为H13热作模具钢。界面对流传热系数依据不同接触条件分别设置：金属熔体与模具零件接触界面设为0.17 W/(cm²⋅K)；模具实体与内部冷却水路接触界面设为0.40 W/(cm²⋅K)；模具外表面与车间环境之间的综合传热系数设为0.002 5 W/(cm²⋅K)。

工艺过程热边界条件及运动参数设定如下：环境参照温度设为26 ℃，金属熔体初始浇注温度设为700 ℃，模具型腔初始预热温度设为190 ℃。压射过程采用两段式速度控制，慢压射阶段冲头推进速度设定为0.32 m/s，转换至快压射阶段后，冲头推进速度提升至4.1 m/s。

2.2 充型过程与凝固过程及缺陷分析

2.2.1 充型过程分析

分析熔体在充型过程中的充型顺序如图3所示，为评估初始工艺方案的可行性，采用AnyCasting软件对充型和凝固过程进行瞬态数值模拟。端盖充型过程通常在22 ms内完成，是一个高速、非等温、瞬态的自由表面流动过程。

图3   充型顺序

第一阶段：冲破与慢速堆积压射。冲头以较低速度（约0.2~0.5 m/s）推动镁合金熔体，平稳地充满压室并越过浇口，此阶段核心目标是排除压室内的气体，防止熔体提前进入型腔引起喷溅。

第二阶段：高速填充。当熔体到达内浇口时，冲头速度瞬间提升至峰值（4~6 m/s）。熔体以较快速度射入型腔，此阶段是充型主体，熔体流动形态至关重要。理想的“层流填充”难以实现，但应追求平稳的“扩展流”，即熔体前沿像一个不断扩大的蘑菇头，平稳向前推进，将型腔内气体平稳地向末端和溢流槽驱赶。

第三阶段：增压补缩。当型腔即将被充满（约90~95%）时，冲头速度降低，并瞬间施加较高的最终压力（通常60~100 MPa）。此压力通过尚未完全凝固的流道系统传递至铸件内部，用于补偿金属的液态收缩和凝固收缩，是获得致密铸件的关键，在充型末期，各股金属液流最终在型腔最远端和最后充填的区域汇合，充型结束。

2.2.2 凝固过程分析

铸件凝固过程如图4所示，充型过程结束后，熔融金属进入凝固阶段。充型结束后，铸件从液态向固态转变的凝固过程，决定了其最终的力学性能和内部完整性。铸件的凝固是在较高压力下快速非平衡凝固，其模式主要取决于模具的温度场设计（由冷却系统控制）和铸件几何形状。外壳凝固与低温模壁接触的熔体瞬间凝固，形成一层细晶的致密表皮层。这是铸件表面光滑且耐磨的原因。增压阶段施加的高压对镁合金凝固至关重要，高压迫使尚处于液态或糊状的金属向因收缩而产生微观孔洞流动，有效抑制缩松，增强补缩能力。在快速冷却和高压下，镁合金铸件通常呈现典型的细小表皮层+内部较粗大枝晶组织。晶粒细化有利于提升力学性能，尤其是塑性和疲劳强度。通过优化冷却、添加晶粒细化剂（如碳质孕育剂）或采用半固态压铸，可获得更均匀细小的全断面组织。

图4   凝固顺序

2.2.3 卷气缺陷分析

铸件卷气分析如图5所示，在压铸过程中，型腔内的气体主要来源包括型腔中原有的空气、脱模剂挥发产生的气体及润滑剂产生的蒸汽。卷气的形成是气液两相流在高压、高速、瞬态条件下的复杂失稳过程。

图5   卷气缺陷分析

第一阶段的气体卷入是缺陷产生的决定性阶段。高速金属液（通常4~6 m/s）以不稳定的流动模式填充型腔，捕获气体。喷射卷气金属液通过狭窄内浇口时，若速度过高（>5 m/s），会形成高速射流，像子弹一样撞击远端型腔壁，气体被射流冲击、分割并包裹。速度超过临界值，层流转为湍流，形成涡旋（涡流），将气体卷入涡心。当气泡迁移至凝固前沿时，如果金属液凝固速度过快或气泡被困在枝晶间（糊状区），气体来不及上浮至表面或进入溢流槽，最终会被固定在铸件内部，形成卷气缺陷。

2.2.4 缺陷分析

缺陷分析如图6所示，使用AnyCasting软件中的概率缺陷参数模块，基于模拟结果，对初始工艺方案下发动机端盖铸件可能产生的主要缺陷（卷气、缩孔和缩松）进行系统的形成机理、分布位置及严重程度分析。卷气缺陷源于充型过程中两股温度过低的金属流前沿相遇无法融合，或流动痕迹被冻结，根源是熔体前沿温度降至固相线附近。缺陷出现在远离浇口的薄壁区域或料流汇合处，主要原因是模具温度过低、浇注温度过低、充型速度太慢、局部排气不良产生反压。针对铸件内部缺陷，后续需进行工艺优化。

图6   缺陷分析

2.2.5 冷却系统优化及结果

镁合金凝固速度快，但不均匀的冷却会导致铸件产生热应力、变形、缩孔，严重影响模具的使用寿命和生产节拍，合理设计的冷却系统是保障稳定生产和尺寸精度的基石。热平衡使模具型腔各区域达到并维持一个均匀、适宜的工作温度（镁合金通常为200~250 ℃）。通过差异化的冷却速度，引导铸件按预设方向（从远端到浇口）顺序凝固，以提高生产效率并快速带走多余热量，缩短循环时间，延长模具使用寿命、减少模具零件表面的热疲劳。冷却通道应尽可能靠近型腔表面，但需保持安全距离，以防模具零件开裂。通道之间的间距应为通道直径的3~5倍，以确保均匀冷却。根据前述数值模拟的分析结果，为有效改善铸件内部因凝固顺序不当而产生的缩孔与缩松缺陷，重点对模具冷却系统进行针对性优化。优化的核心策略：在缺陷预测集中区域增设冷却水路，以局部强化散热，调控该区域的凝固速率，引导铸件整体实现更为合理的顺序凝固模式，最终达到抑制或消除热节类缺陷的目的。优化后的冷却水路通过UG软件完成三维建模，并与模具系统进行装配整合，最终导入AnyCasting软件进行耦合仿真分析。在仿真边界条件设置中，入水口温度设定为26 ℃，出水口温度设定为65 ℃。铸件冷却系统如图7所示。

图7   冷却系统分布

3、生产验证

对优化后的压铸工艺方案进行最终验证，在生产现场采用DCC280型压铸机开展试制验证。工艺参数设置如下：浇注温度为700 ℃，模具初始温度为190 ℃，压射速度为4.0 m/s。试制所得端盖铸件实物状态如图8所示。观察图8（a）可见，端盖铸件外形完整、轮廓清晰，表面无冷隔、欠铸、拉伤等缺陷。进一步采用X射线无损探伤设备对铸件关键部位进行内部质量检测，结果如图8（b）所示，铸件内部组织致密，未发现可见的缩孔、缩松缺陷。检测结果表明，该工艺方案下生产的铸件内部质量与表面质量均符合设计及使用要求。

图8   端盖实物和X射线检测结果

▍原文作者: 宁卫东，王斌，霍厚娟，张明远

▍作者单位：山东银光钰源轻金属精密成型有限公司