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压铸是一种生产效率高并且能够生产各种复杂形状轻合金(主要为铝、镁及锌合金)产品的近净成形技术。在压铸过程中，熔融金属在冲头的作用下以高速充填型腔(一般可达10~ms-1)，并在高压(常见的压力为15~MPa)下结晶凝固形成铸件。高压、高速是压铸的主要特征。由于压铸生产效率高、工序简单、铸件公差等级较高、表面粗糙度好、机械强度大，且压铸件可以省去大量的后续机械加工、节约原材料，使得压铸技术现已成为我国乃至世界铸造业中的一个重要组成部分。在压铸凝固过程中，铸件-铸型界面换热行为对铸件的微观组织及最终力学性能的影响很大，而铸件-铸型换热系数（衡量界面换热行为最重要的参数）本身又受到铸件内部压力传递行为的影响。从冲头到铸件内部传递的有效压力可以在很大程度上增强铸件和铸型接触的紧密性，进而产生良好的铸件-铸型界面换热，提高凝固质量。从另一个角度讲，这个有效传递的压力会随着铸件凝固分数的增加而迅速下降，表明压力传递本身也反过来受到铸件-铸型界面换热行为的影响。在本文，我们基于压铸实验样件，就压铸过程中铸件-铸型界面传热和铸件内部压力传递行为进行讨论，希望能够给实际的压铸生产带来一些参考或启示。铸件-铸型界面传热在实验中，我们采用的压铸件为“阶梯”铸件。图1-“阶梯型”铸件图2-温度和压力测量单元及其在模具内从整体上看，这个铸件由5个厚度不同的平板或“阶梯”组成，在每个平板上，我们以对称的方式分别安装一个温度测量单元和压力测量单元，具体铸件、模具以及测温和测压单元的几何形状和安装方式如图1、2所示。我们采用的压铸设备为东洋吨冷室压铸机，在实验中，我们采用两种具有代表性的合金，一种为镁合金AM50，另一种为铝合金ADC12。通过实际压铸实验温度测量和热传导反算，我们可以获得不同“阶梯”——铸件不同厚度位置处铸件-铸型的界面换热系数，以厚度居中的平板为例，图3显示不同合金体系下换热系数和对应位置温度的变化特征。图3-AM50和ADC12合金第3阶梯铸件和模可以看出，对于压铸来讲，整个换热过程是非常快的，从换热系数增大到峰值，再降低到一个相对较小的值，整个过程只持续了6-7秒，这要远快于传统铸造方式（如砂型铸造或重力铸造）的传热过程。对于较慢的凝固过程来说，在数值模拟中设置定常换热系数对最终的计算结果影响不大，而压铸则完全与之相反。正是因为压铸过程铸件-铸型传热如此之快，我们在后续做数值模拟的时候一定要注意将换热系数（数值或模型）描述准确，否则就真是差之毫厘、谬以千里了。从图3我们也可以看出，镁合金AM50对应的换热系数，在峰值以及最终的低值上都小于铝合金ADC12对应的值。考虑到压铸过程中我们采用了相同的工艺参数，包括压射速度、增压压力等，这在很大程度上说明在压铸过程中，相对于AM50，铝合金ADC12和铸型之间的接触紧密性要更好。一个较好的传热状态可以产生更为优质的铸件微观组织，进而提升铸件最终的力学性能和质量。图4-AM50和ADC12合金在1-5阶梯处测定图4显示了不同“阶梯”对应的换热系数的变化，可以看出，不管是AM50还是ADC12，压铸过程铸件-铸型换热系数的变化规律都是类似的，都是随着压射的进行而迅速升高，然后随着铸件凝固的进行而不断下降，直到达到一个低值水平。这几段变化其实很明显地反应了铸件和铸型之间的接触情况。金属液高速充填型腔之后，由于冲头可以传递有效的增压压力，因此金属液和铸型之间可以保持紧密接触，而这个接触的紧密性可以一直持续，直到铸件表面发生了一定程度的凝固，这伴随的是换热系数逐渐下降，但不是大幅度下降。随后，由于铸件凝固分数达到了一定的数值，铸件开始整体收缩，这会带来明显的换热系数下降，直到其达到相对低的数值水平，此时可以认为铸件整体大范围收缩结束，换热系数在低值水平保持。铸件内部的压力传递了解了铸件和铸型界面换热行为之后，我们来探讨一下铸件内部的压力传递行为。当金属液以高速充填并充满型腔之后，液压系统经由冲头给金属液施加增压压力，由于型腔内部大部分金属仍然为液体（这里我们只考虑常规压铸，不考虑半固态压铸），此时，压力可以相对有效地在金属液内部进行传递，从而保证了金属液和铸型之间贴合的紧密型。但这种贴合的紧密性会急剧增大铸件-铸型之间的换热，从而导致铸件快速冷却。在这种情况下，铸件的凝固一般是从铸件外围开始逐渐向中心过度。如果我们把和铸件中心处连通的未凝固区域看成一个整体，那么我们可以直观地认为，这个连通区域就是传递压力的有效区域。这里有一个关键的问题需要描述清楚——这个连通区域内部是否存在有效的压力，也就是说，冲头施加到料饼的压力能否有效地传递到铸件内部这个连通区域。一种直接的理解就是，如果料饼在很大程度上凝固了，如果铸件内部仍然存在液态区域，那么即使冲头施加再大的压力也无法有效地传递到铸件内部。从这个角度讲，想要冲头将压力有效地传递到铸件内部的连通区域，那么首先，这个连通区域必须和料饼本身是连通的，其次，料饼还没有凝固到完全不能传递压力的状态。因此，如果说在铸件内部存在多个孤立的连通域，那么只有那个和料饼联通的区域才能传递压力，其他的则不具备这个条件，而实际上，其他的孤立的区域往往也是最终缺陷的潜在位置。我们可以根据这个压力传递原则，再结合铸件-铸型界面传热行为的热点，设计一个非常简单的压力传递模型，具体公式如下：其中，p，psource和fs为压力，冲头传递进来的压力和铸件局部位置凝固分数，fsc，fsp和fss为联通固相分数、有效压力传播固相分数以及料饼凝固分数。我们将该压力传递模型耦合到我们现有的压铸数值模拟平台「智铸超云」中，然后针对这个“阶梯”铸件的压铸凝固过程进行模拟，最终我们可以获得特定位置处的压力变化曲线，并将该曲线和实际测量的数值进行对比，图5显示了相关结果。图5-AM50和ADC12合金第3阶梯和第5阶可以看出，从整体变化趋势上来看模拟得到的压力曲线和实测到的压力曲线是一致的，而在具体的数值上，模拟结果在较厚的铸件位置处（Step5，也即“阶梯”5）比实际测量的结果要高10MPa，而在较薄的位置处（Step3，也即“阶梯”3），模拟结果的下降速度要高于实测的结果。这证明，该压力传递模型在一定程度上能够描绘实际的压铸过程，但是在精确的数值预测上还存在一定的误差。在这个模型中，我们考虑的情况比较简单，而漏掉的最重要的因素或影响是铸件的实际收缩量，这在后续更完备的模型中将进行考虑。作者：Marsfish毕业于清华大学（本、博），牛津大学、英国皇家学会研究会员，长期从事数字化工业方面的研究，包括高性能算法、高能X射线检测、图像处理以及相关工业领域的材料和核心工艺开发等，立志创造有国际竞争力的自主化CAE软件，摆脱国际垄断，提升和振兴民族工业水平。

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