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achining and manufacturing
机械加工与制造
铝合金活塞铸造过程中低压铸造工艺的有限元模拟研究
何智邦
（黄河鑫业有限公司，青海 西宁 ８１００００）
低压铸造工艺是通常情况下铝合金活塞的铸造中的核心工艺技术之一，想要进一步提高铝合金活塞制造质量，摘 要：
需要对低压铸造过程进行更加精准的掌控。通过ＡＮＳＹＳ软件建立铝合金活塞的几何模型，运用网格划分将几何模型转化成有限元模型，设置相关低压铸造参数，在软件中进行低压铸造工艺的有限元模拟，完成有限元模拟方法设计，并设计实验对方法有效性进行了论证。
铝合金活塞；低压铸造；有限元模拟；模拟参数 关键词：
Ｇ６４２ Ａ １００２－５０６５（２０１８）１４－００４２－２中图分类号：文献标识码：文章编号：
Finite element simulation of low pressure casting process for aluminum alloy piston casting process
HEZhi-bang
（Ｔｈｅ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｘｉｎｙｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．，Ｘｉｎｉｎｇ ８１００００，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｉｓｔｏｎｓ． Ｔｏ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅ
ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｉｓｔｏｎ， ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ． Ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｉｓｔｏｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｄｉｖｉｓｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｓｅｔ ｕｐ． Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｓｔ．
Keywords: ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｉｓｔｏｎ； ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｓｔｉｎｇ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
在社会生产生活都依赖于各种机械设备的平稳运行情况下，金属零部件的腐蚀问题成为生产生活的巨大安全隐患。未经过防锈处理的金属零部件可能因为接触空气和水分而发生锈蚀现象，金属零部件的防锈能力不仅决定着机械设备的性能和生产效率，甚至可能影响着操作设备人员的生命财产安全。在这种情况下，相对不容易被腐蚀的铝合金材料，以其抗高温、耐压、耐腐蚀等在恶劣环境下维持稳定性能的特性得到了越来越广泛的运用[1]。
目前汽车发动机等动力机械中使用的活塞都属于铝合金材质，而这种铝合金活塞的铸造通常采用低压铸造工艺，这种工艺技术具有极强实用性，能够制造出质量优良、组织致密、结构强度强的活塞部件，相比传统工艺而言不仅提高了生产质量，也提高了生产效率，具有明显优势[2]。但这种工艺在运用在实际生产过程中也存在一定缺陷，可能导致铸件缩孔等问题的出现，而使用计算机技术和有限元计算软件对铸件铸造过程进行数值模拟能有效对铸造工艺的实施进行改善。因此对铝合金活塞铸造过程中低压铸造工艺的有限元模拟进行研究具有深远的现实意义。
这一方法相对效率较低。本文采用的几何模型建立方法是直接将CAD软件中的数据模型导入ANSYS软件。ANSYS软件具有极强适应性，能够与CAD软件完成数据和图形传输，使用ANSYS软件读取CAD传送的图形文件，不仅能提高建模效率，还能有效减小建模误差，提高模拟过程的精确度。（2）有限元模型转化。对建立的几何模型进行网格划分，采用有限元法，用多边形网格离散复杂形状的边界，保证划分之后的微元边界尽可能接近原始区域的边界。为提高精确度的同时提高工作效率，可以使用密集的网格划分部件靠近壁面的部分，使用稀疏粗大的网格处理远离部件壁面的区域。本文采用如上方法对建立的几何模型进行网格划分，采用较小的网格尺寸进行划分，从而建立起有限元模型。（3）模拟参数。通常情况下活塞所使用材质多为A356铝合金，这种材料的物理性能如表1所示。
表1 铝合金物理性能
物理属性
密度比热容潜热热导率固相温度液相温度
性能2427(kg/m3)0.96(kg-1/K-1)29.31(kJ/kg-1)92.82(W/K-1)829(K)8(K)
1 低压铸造工艺的有限元模拟方法设计
（1）建立铝合金活塞几何模型。本文使用ANSYS软件进行有限元模拟方法设计，这一软件具有建模功能，因此可以用其自身建模模块直接建立铝合金活塞的几何模型。但是这一方法相对复杂，其自带的建模模块在应对非对称形状的部件时，需要输入所有关键点坐标值才能完成模型构建，因此
２０１８－０６收稿时间：
何智邦，男，生于１９８２年，汉族，青海西宁人，本科，助理工作者简介：
程师，研究方向：有色金属材料成型。
ANSYS软件会提供系统自带的热交换系数和活塞材料参数，对进行低压铸造时需要模拟的参数进行设置，模拟从活塞铸造模型底部注入铝液时需要设置的各项参数值如表2所示。
表2 模拟参数设置
模拟参数
升液时间(s)升液压力(Pa)充型时间(s)充型压力(Pa)
参数值102*104223.4*104
42世界有色金属 2018年 7月下
M机械加工与制造
增压时间(s)增压压力(Pa)保压时间(s)保压压力(Pa)卸压时间(s)卸压压力(Pa)充型速度(Pa/s-1)凝固时间(s)
88.5*1042608.5*104
5001*103330
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造过程进行模拟，将模拟结果与实际数据进行对比，绘制实验结果对比图。实验结果如图1所示。
在使用本文方法进行模拟时，其准确度一直高于传统方法，在使用本文方法进行低压铸造工艺的有限元模拟时准确度一直维持在80%~10%之间，具有极高的准确性，且无论活塞铸造复杂程度变化情况都能维持稳定的运行状况。而使用传统方法进行模拟预测时其准确度从20%~80%产生了较大波动，虽然在活塞的铸造过程相对简单时能够维持相对高的准确度，但是随着活塞铸造复杂程度的增加，这一方法的准确度逐渐下降。通过上述结论可以得知本文设计有限元模拟方法相比传统模拟方法而言具有明显优势，能提高40%的预测准确度，推广使用这一模拟方法具有深远现实意义。
通过建立铝合金活塞的几何模型，运用网格划分将几何模型转化成有限元模型，设置相关低压铸造参数，在软件中进行低压铸造工艺的有限元模拟。完成有限元模拟方法设计。
2 实验论证
3 结语
本文使用ANSYS软件完成了对低压铸造工艺的有限元模拟方法的设计，首先建立铝合金活塞的几何模型，然后运用网格划分将几何模型转化成有限元模型，最后设置相关低压铸造参数在软件中进行模拟。希望本文的研究能够为铝合金活塞铸
图1实验结果对比图
造过程中低压铸造工艺的有限元模拟研究提供理论依据。[1]杜波,孙转平,杨新岐,等.异种铝合金摩擦塞补焊接头微观组织及性
能[J].机械工程学报,2017,53(4):43-48.
[2]李宁,朱培浩,胡亚辉,等.铝合金轮毂低压铸造的模具设计及工艺优
化[J].特种铸造及有色合金,2017,37(5):494-497.
为研究本文设计的铝合金活塞铸造中的低压铸造工艺的有限元模拟方法在实际模拟过程中的准确性，设计对比实验。实验选取一组铝合金活塞部件，记录其真实铸造数据，分别使用本文设计方法和传统方法对铝合金活塞的低压铸（上接41页）
安装施工人员就需要依照好施工操作流程进行严格施工，明确先做什么，然后再做什么，主次分明，流程清晰。2.3 矿井机电设备安装需按照常规安装方式进行安装
一般而言，我们的矿井机电设备需要安装时，企业也会根据公司的发展情况制定合理的作业方式和工作目标，施工人员不能只图于急于求成，从而没有严格控制安装顺序，举例来说，矿井架的安装，正常的作业方式需要先一层组装，然后找平找正，然后再接着下一层的组装，井架在安装工程中，每个部位的必须严格链接，拧紧后还需要整体找平，然后还需要井架四脚二次灌浆。
3.2 制定详细的机电安装计划
在进行了部门的方案确定后，就需要部门的集体研究，然后共同制定出好的安装位置，利用最有效率的施工方式来依照计划进行安装。通过计划有条理的严密措施，可以有效避免在机电安装过程中的返工情况，也可以有效避免失误的情况。统一布置，整齐划一，协调好，管理者尤其需要对各项工作谙熟于心，再三进行细致的校对，对各个环节的衔接了如指掌，时刻做到心中有数。3.3 安装过程严格落实岗位责任制
在机电设备安装过程中，由于涉及到的专业知识较多，安装环节较多，因此，应该严格落实岗位责任制，无论是机器设备还是施工人员，都要做到责任明确。还要加强对现场管理的考核工作，并制定相应的考核标准和奖惩制度，以此来规范职工的操作和维修行为。3.4 加大施工管理强度与人才引进工作
我们都知道当下的企竞争就是人才的竞争，在矿产企业的机电安装工作中，施工技术管理需要施工人员和管理人员的共同努力，完善的管理制度需要监理人员和施工人员的严格遵守，否则无论多么完美的制度规范也将是一纸空谈。因此，在加大施工管理强度、制定完善的施工管理制度的同时，也要注重相应人才的培养与引进。[1]英旭,秦立祥,徐源.基于BIM技术的地铁车站机电设备安装维护管理
系统开发与应用[J].施工技术,2016(s1):7-767.
[2]霍振龙.LoRa技术在矿井无线通信中的应用分析[J].工矿自动
化,2017,43(10):34-37.
3 提高矿井机电安装管理质量的具体详细对策
3.1 做好矿井安装前的准备工作
在矿井的机电安装工作中机电设备的选型比较重要。在选择的设备中不仅需要满足足够的要求，也还更加需要长远的使用。机电设备的通用件选择需要更加注意搭配条件，协调好安装配件配置，大众化的设备选择是一般需要选择的，这样可以便于后续的更换和维修，机电设备的质量检验也要严格把控，对不合格的产品需要尽量避免，这样也是对人员的财力和物力的节约。
机电设备的维护工作到位是可以很好的减少部件之间的磨损，对维修时间的减少也是可以对应提高产品的使用寿命。这也是需要有专员进行负责，也是检查、维护和管理的基本原则。
2018年 7月下 世界有色金属43
