渦輪增壓器葉輪低壓鑄造工藝設計及優(yōu)化

董 帥,趙忠興,符和鋒,李立安,陳永志

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

渦輪增壓發(fā)動機已在汽車領域廣泛應用，但一直未解決渦輪增壓器壽命與發(fā)動機壽命同步的問題[1]。鋁合金葉輪是渦輪增壓器中易磨損失效的零件，因此改善葉輪的鑄造組織，提高力學性能是解決渦輪增壓器過早失效的關鍵之一[2]。目前對鋁合金葉輪低壓鑄造工藝參數(shù)進行定量優(yōu)化的文獻較少[3-4]，基于ProCAST的仿真模擬過程多采用MeshCAST對鑄件和鑄型進行有限元網(wǎng)格劃分[5-6]。本文利用鑄造模擬軟件ProCAST對低壓鑄造工藝中的澆注溫度、模具預熱溫度和壓力-時間參數(shù)進行定量設計和優(yōu)化，采用UG仿真模塊劃分有限元網(wǎng)格。

1 產(chǎn)品結(jié)構分析及鑄型設計

1.1 產(chǎn)品結(jié)構分析

根據(jù)三坐標測量儀測得的點云數(shù)據(jù)庫，在UG NX8.0中設計葉輪的三維造型，如圖1所示。葉輪的最大高度為45.0mm，最大直徑為99.0mm，軸心孔直徑為8.0mm，7組大小相間分布的葉片，葉片根部厚度約3mm，葉片邊緣厚度不足1mm，表面精度要求較高，公差等級小于IT6。

圖1 零件的CAD圖

1.2 鑄型設計和材料選取

根據(jù)葉輪的特點和低壓鑄造的工藝要求，葉輪鑄件和鑄型的三維造型如圖2所示。左側(cè)為上模冷鐵，中間為鑄件，右側(cè)為石膏型下模，分型面位于鑄件的最大橫截面處。在分型面上設計六道U型排氣槽。

圖2 鑄件和鑄型的CAD圖

鑄件采用ZL105A合金，ZL105A鋁合金具有較好的綜合力學性能，切削加工性能較好，適用于形狀復雜的薄壁鑄件[7]。下模采用石膏型，保溫能力較好，表面光潔度高，熱膨脹系數(shù)小，適用于尺寸精度高的鑄件。上模具采用HT200灰鑄鐵，灰鑄鐵的導熱性能比蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵好[8]。

2 數(shù)值模擬前處理

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

四面體有限元網(wǎng)格的劃分是影響ProCAST模擬效率的難題[9]。利用UG的高級仿真模塊，選用IDEAS提供的單元劃分工具，能快速對鑄件和鑄型進行四面體網(wǎng)格的劃分，通過了MeshCAST檢驗，其網(wǎng)格質(zhì)量較MeshCAST劃分的網(wǎng)格更高。根據(jù)以上方法獲得的四面體網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 鑄件和鑄型的體網(wǎng)格裝配圖

2.2 邊界條件設定

在ProCAST中進行材料域賦值，重力設置，石膏表面設置空氣冷卻，冷鐵處設置水冷，在澆口處設置熱源，各處的界面換熱系數(shù)設置如表1所示。

表1 界面換熱系數(shù) W/m2·K

3 設定澆注工藝參數(shù)

3.1 設定澆注溫度和模具預熱溫度

低壓鑄造的澆注溫度設定原則是保證鑄件成型的條件下盡量降低溫度，以減少金屬液體的吸氣和收縮。低壓鑄造中的鋁合金液體充型能力比重力鑄造高[10]，其澆注溫度可比重力鑄造低10～20℃，設定澆注溫度680℃。

模具預熱溫度高有利于金屬液的充型，但會影響金屬液的凝固過程[11]。對葉輪這樣的薄壁復雜件，葉片位置易出現(xiàn)充型不足，石膏模預熱溫度應稍高。冷鐵的作用是使鑄件由上而下順序凝固，預熱溫度應比石膏模低50℃左右[12]。綜上所述石膏模的預熱溫度設置在225℃，鑄鐵模預熱溫度設置在175℃。

3.2 設定壓力-時間參數(shù)

低壓鑄造的壓力-時間曲線，包括升液-充型-增壓-保壓-泄壓五個階段，如圖4表示。

圖4 壓力-時間曲線

升液階段的升液壓力P1、充型階段的充型壓力P2均可根據(jù)帕斯卡原理[13]求出

P=H·ρ·u×10-5

(1)

式中：P為加壓壓力，MPa；H為保溫爐液面到所在位置的高度差，m；ρ為鋁合金液體的密度，kg/m3；u為阻力系數(shù)，通常取1.1～1.5。

增壓壓力P3依工藝要求而定，一般為0.10～0.15MPa，這里取0.15MPa。

綜上所述，壓力-時間參數(shù)初始設置值如表2所示。

表2 設定的壓力-時間參數(shù)

4 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

4.1 對設定的工藝參數(shù)的模擬

設定澆注溫度為680℃，石膏模的預熱溫度為225℃，冷鐵的預熱溫度為175℃，壓力-時間參數(shù)如表2所示。經(jīng)過ProCAST仿真模擬后，在VisualCAST中觀察鑄件各部分充型時間分布、凝固時間分布分別如圖5、圖6所示。

圖5 充型時間分布

圖6 凝固時間分布

由圖5可以看出鋁合金液上升的液面并不平穩(wěn)，在0.17s出現(xiàn)泉狀，0.511s時發(fā)生劇烈波動。整個鑄件的充型時間是0.567s，說明設定的充型時間不足。

由圖6中可以看出鑄件由上而下順序凝固，澆口位置最后凝固。說明澆口能在整個凝固過程中起補縮作用，石膏模和冷鐵的預熱溫度合理。模擬結(jié)果顯示鑄件全部凝固的時間為112.93s，表明表2中設定的保壓時間不足。

4.2 對優(yōu)化工藝參數(shù)的數(shù)值模擬

修改充型階段時間為1s、2s、4s，保壓時間延長至120s，進行三組模擬試驗。對模擬的充型結(jié)果進行觀察，充型時間1s的充型過程較為平穩(wěn)，排氣槽位置最后充滿，有利于排氣；充型時間3s和4s的充型狀態(tài)更平穩(wěn)，但最后充滿的部位在型腔頂部，氣體不易排出。

因此充型時間為1s的充型狀態(tài)最好，其充型過程中不同時刻的充型狀態(tài)如圖7所示，凝固后的縮松分布如圖8所示。

圖7 不同時刻的充型狀態(tài)

圖8 縮松體積分布圖

由圖8可以看出，葉輪的鑄件在優(yōu)化后的縮松體積分數(shù)在0.80%以下，沒有宏觀缺陷，符合葉輪的鑄造組織要求。

5 產(chǎn)品試鑄和檢測

將上述優(yōu)化的工藝參數(shù)交工廠試鑄，實際澆注鑄件如圖9所示，鑄件成型完整，葉片表面精度符合IT6公差要求。經(jīng)超聲波檢測，縮松很小，且分布均勻，無大的內(nèi)部缺陷，與數(shù)值模擬結(jié)果相符。

圖9 試鑄的毛坯件

6 結(jié)論

綜上所述，此型號鋁合金葉輪的低壓鑄造工藝參數(shù)為：澆注溫度680℃；石膏模具的預熱溫度225℃；冷鐵的預熱溫度175℃；升液階段取0.005MPa；充型階段壓力為0.01MPa，時間為1s；增壓壓力0.05MPa，時間為4s；保壓壓力0.05MPa，時間為120s；泄壓4s。

ProCAST數(shù)值模擬中采用UG高級仿真模塊劃分的有限元網(wǎng)格，可提高模擬效率；利用公式計算和ProCAST仿真模擬對鋁合金葉輪的低壓鑄造工藝參數(shù)進行定量優(yōu)化是可行的。

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