导读：为了得到高品质的AlSiMgMn铝合金减速机用法兰，节约设计成本，使用有限元方法（FEM）对其挤压铸造过程进行模拟分析，根据预测的缺陷位置设计浇注系统，对设计结果进行二次模拟，分析工艺设计的合理性，并通过试验验证模拟分析结果的可靠性，确定了法兰挤压铸造工艺方案，为批量生产提供参考。
减速机用法兰最小壁厚为6 mm,最大壁厚为19 mm,是典型的厚壁通用件，传统的压力铸造高压高速的充填方式使得压力难以通过浇道对熔体持续补缩，无法获得合适的铸件。
挤压铸造工艺技术具有金属液利用率高、机加工少的特点，适合于高性能、高强度、高气密性、高耐磨性、高耐腐蚀性零件的生产，不仅能够大幅度提升铸件产品的品质，同时还能够很好地做到效率与成本的有效平衡。
为了设计减速机用法兰挤压铸造工艺并探究其工艺设计的合理性，使用FEM对其挤压铸造过程进行模拟分析，并通过试验验证模拟结果的可靠性。
1 参数设置法兰三维实体模型及网格划分分别见图1和见图2。
图1 铸件三维实体模型 图2 铸件有限元网格模型铸件材质为AlSi9MgMn铝合金，其具有可热处理强化、铸造性能好、无热裂倾向、气密性高、线收缩小的特点，液相线温度为590 ℃，固相线温度为550 ℃，主要化学成分见表1。
模具、压室、冲头均采用H13钢。
表1 AlSi9MgMn铝合金的化学成分(%)初始工艺参数如下：浇注温度为700 ℃，模具预热温度为200 ℃，压射压力为14 MPa，压射速为0.4 m/s。
2 初步模拟结果分析图3为法兰缩松、锁孔的位置模拟。
采用数值模拟对铸件进行初步模拟。
根据缩孔位置设计集渣槽，得到的铸件模型及浇注系统模型见图4。
采用相同的处理方法，对含有浇注系统的新铸件模型进行挤压铸造过程数值模拟，初始工艺参数不变，分析模拟结果。
图3 铸件缩孔缩松位置 图4 带浇注系统的铸件模型 3 二次模拟结果分析图5为法兰铝合金液充型过程中温度场的变化和流动状态。
因设定初始型腔（压室和模膛）金属液填充量为50%。
可以看出，单模零件只有一个主浇道，金属液由主浇道进入型腔，按照设定的顺序充满型腔，合金液的温度均在液相线温度以上，有效确保了金属液的补缩，挤压铸造充型速度较为缓慢，并无明显的卷气、紊流等情况，说明该浇注系统的设计是合理的。
充型过程中，金属液温度一直在液相线以上，当充型量达到100%的时候，法兰开槽部位溢流槽边缘温度首先降低，但依然有640 ℃，其余部位温度均较高，可判断金属液仍然具有较好的流动性，由冲头持续强制补缩，能有效降低铸件缺陷的发生概率。
图5充型状态及温度场的变化图6是铸件凝固25%、50%、75%时固相率的分布，及铸件完全凝固时的温度场云图。
从6a~图6c可以看出，铸件及集渣槽边缘较薄处先凝固，集渣槽次之，最后凝固位置在主浇道，凝固顺序较好。
由图6d可知，完全凝固时，铸件和集渣槽的温度降至约200 ℃，主浇道最大温度约在480 ℃。
图6 凝固过程固相率及温度场在铸件不同部位取6个节点，位置见图7a，节点编号分别为4483、62510、120366、125055、130070、137800，在金属液充型、凝固的整个过程中，这6个位置节点温度随时间的变化见图7b，从温度的变化能判断出铸件的凝固顺序，与图6所分析结果相符。
图7 铸件重要节点选取及温度变化曲线4 试验验证在型号为SCH1250的挤压铸造机上进行挤压铸造，得到挤压铸造法兰见图8。
可以看出，铸件成形质量好，结构完整，未出现冷隔、浇不足、粘模等缺陷，表面光洁度高，只需切除浇注系统并对交界面进行平整度修整以及对必要的孔局部修整，无需进行复杂的机加工工序。
图8 挤压铸造法兰铸件使用X射线探伤仪分别对铸件底部、轮缘及开槽处肋进行检测，检测结果见图9。
可以看出，未发现明显的缩孔、缩松等缺陷，铸件品质较好，工艺方案满足要求，可为大批量生产提供参考。
图9挤压铸造法兰X光检测结果5 结论(1)采用FEM方法对法兰铸件进行挤压铸造数值模拟分析，能根据缩孔、缩松位置初步直观的预测铸件需要开设集渣槽的位置，为浇注系统的设计提供参考。
(2)对含浇注系统的铸件进行数值模拟，分析充型、凝固过程的温度变化和凝固规律，结果表明铸件凝固顺序较好，能有效降低缺陷产生的概率。
(3)在挤压铸造机上对法兰进行开模试验，并用X射线探伤技术探测铸件缺陷，结果表明铸件主体部分几乎无缺陷，证明挤压铸造工艺及浇注系统方案设计合理，可用于指导批量生产。