由于镁合金的发展趋势，镁合金产品的质量尤为重要，“863”计划和科技攻关计划的实施，极大地推动了镁合金在我国的产业化进程。镁合金压铸件的比重也日益增加，提高产品质量是镁合金发展的关键。尤其在汽车上，表现出强劲的势头，目前，镁合金应用制件绝大部分是镁合金压铸件。在镁合金压铸的过程中，导致铸件产生质量问题的原因有很多，空气卷入是造成气孔缺陷的因素之一。卧式冷室压铸机的压射系统分为慢压射和快压射阶段。压铸过程的慢压射阶段的主要作用是保持液体平稳过渡，不出现卷气从而确保铸件的质量，所以正确选择慢压射速度能降低铸件缺陷，提高生产效率。
如图1 所示，压室的总行程为L，第一级压射行程为X1，冲头以较慢速度推进，第二级压射中，行程达到X2时液体封住进料口，避免飞溅，金属液填满压室，然后进入第三级压射，冲头高速运动。
图1 冲头在压室中的运动行程示意图
美国的L W Garber 博士研究了慢压射过程对压铸卷气的影响，提出了普通压铸条件下减少气孔的慢压射理论及工艺，在慢压射阶段，冲头一旦运动，金属液会突然产生一个“波”，当冲头速度达到一定时，掀起的波的高度恰好与压室高度相同。因此慢压射利用冲头的慢速运动，将冲头前端的金属不断推动，使其不产生跳跃。合理的冲头速度有利于金属液的平稳流动而不产生紊流。
目前压铸机都是从料柄处或者浇道处开始填充，忽略了慢压射过程对整个铸件质量的影响。当慢压射速度选用不合理时，将会把空气卷入到金属液中，最终进入压铸件，从而影响压铸件质量，这是压铸件产生气孔的主要原因之一。本研究针对镁合金转向管柱支架，通过理论分析辅助计算机模拟优化最佳的慢压射参数。
1 慢压射数学模型的建立
金属液在压室和型腔中的流动遵循了质量守恒定律和动量守恒定律。通用微分表达式如下：
式中：ρ为密度，φ为速度，τ为扩散系数，S为源项，u为速度，t为时间。
对于冲头运动，金属液在运动过程中形成的波浪的数学模型如下：
式中：X为冲头运动方向的坐标，Z为金属熔体自由表面的高度，v为金属熔体运动速度， B为自由表面宽度，g为重力加速度。
2 慢压射阶段理论计算
临界慢压射冲头速度计算是通过分析压室内液体的运动规律，通过理论分析计算出压射工艺参数，再通过FLOW-3D 软件进行优化。镁合金转向管柱支架选用压室长度49 cm，压室直径60 mm。慢压射行程= 压室有效长度- 充填质量/（压室截面积×金属液密度）=49-1600/(0.25×36×π×1.68)=15.7cm=157mm
填充比：
式中：ρ为压室内液态金属的密度(g/cm3 )；G为室内浇注金属的质量(g)；L为包括浇口套在内的压室长度(cm)；d为压室直径(cm)。
根据慢压射计算公式：
式中：g为重力加速度；Kf为填充比；d为压室直径；
把g=9.8 N/m2，Kf=0.7，d=60 mm 代入式（4）计算得出慢压速度为0.23 m/s。
根据临界加速度公式：
其中L=0.49 m，其他参数取值同式（4），计算得出临界加速度为0.32 m/s2。
3 慢压射过程数值模拟优化
使用FLOW-3D 软件对压射加速度和速度优化，通过模拟计算最后得出不同的工艺参数下卷入气体体积的百分数。镁合金的物理性能见表1。
3.1 模型的建立
利用FLOW-3D 软件，网格的数量决定了运算量的大小，如果网格过多会造成运算时间过长，降低了计算效率。所以应适当地选择网格数量。本实验将铸件部分网格总数取为657900，压室部分网格总数划分为83160。
3.2 压室慢压射过程模拟计算
实际的压射过程是冲头从静止状态通过匀加速度运动到临界慢压射需要的速度，因此加速度和临界慢压射速度的组合对铸件质量的影响非常重要，本文根据理论计算值优化出3 组数据，模具温度220 ℃浇注温度700 ℃。
图2 FLOW-3D 网格划分
如图3 所示冲头速度为0.23 m/s，加速度为0.34m/s2 时候的运动情况，t=0.8 s时冲头运动过程中液面平稳，压室上方出现空白，加速度较小造成液体流动过慢，在运动过程中，没有能达到压室顶端，冲头运动到0.80 s 时，在压室前段出现一个波峰，但是压室后端上方仍然是有空白，当冲头继续向前运动到0.89 s时前段已经充满，但是压室上方留有空白，会导致卷气产生。主要是由于压射速度较慢造成，当波峰高度低于压室顶面时，波峰先达到压铸模具时会先将浇口处填满，封住浇道入口，金属液会撞击后返回，致使压室内出现卷气，将压室内剩余气体卷入金属液，可能在压室内产生裹气，形成缺陷。
图3 慢压射速度0.23 m/s、加速度0.34 m/s2卷气情况下的模拟结果
如图4 所示在t=0.26 s时候，压室上端液体流速大于压室中间的液体流速，加速度过快，造成波峰向前移动过快，在液体表面会出现大的波浪，上端液体移动过快，在运动过程中造成气体卷入液体中，t=0.32 s时出现波浪更为明显，在压室的后半段行程中，慢压射速度过快导致后端行程的波浪，在压室顶面约束下，波峰在向前移动的过程中能量上升，波浪会封住浇道入口，将剩余的卷气卷入液体当中，会在铸件内形成气孔缺陷。
图4 慢压射速度0.60 m/s、加速度0.80 m/s2卷气情况下的模拟结果
如图5 所示在冲头移动过程中，金属液没有明显的跳跃，没有产生翻卷的波浪，液体流动平稳，没有出现紊流现象，避免产生缺陷。第一段加速度和第二段匀速慢压射速度都是比较合理的，加速度和慢压射匀速良好的配合使得压室液体流动平稳。
图5 慢压射速度0.40 m/s、加速度0.60 m/s2卷气情况下的模拟结果
如图6 所示为最佳的速度组合曲线，先以加速度0.6 m/s2运动到160 mm 再以0.4 m/s 的速度迅速运动到180 mm 左右，当速度达到2.3 m/s 时，液体到达内浇道，以压射速度2.3 m/s 进行填充，最后充满铸件，完成充型过程。
图6 压铸过程速度与冲头行程
4 压室模拟卷气分布
在冲头慢压射行程内，运动形式为匀加速+ 匀速运动。由表2 可以看出，第三组运动时铸件内卷入气体体积百分数最小，其次为第一组组合。而第二组组合由于加速度较大，速度较快，使得铸件卷气量远多于前两组。针对转向管柱支架的使用要求，选用第三组作为慢压射工艺参数。
如图7 所示，图7c 的铸件卷气量明显优于图7b和图7a，因此得出慢压射工艺参数的第三组组合是最佳的工艺参数组合。
图7 不同慢压射工艺参数条件下铸件的卷气分布
4 结论
（1)通过理论计算和数值模拟的方法得到转向管柱支架慢压射的最佳工艺参数，能减少空气卷气量，降低铸件缺陷，提高铸件质量，提高生产效率，对产品生产有指导意义。
（2）用理论计算和计算机模拟的方法优化得出加速度为0.6 m/s2，慢压射速度0.4 m/s 为最佳慢压射速度工艺参数。
（3）慢压射过程中，选用最佳的工艺参数，得出卷气量为0.074%。(end)
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