鋁合金進(jìn)氣管傾轉(zhuǎn)鑄造工藝數(shù)值模擬及優(yōu)化

張　章，段月星，辛小剛

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

制造工藝

鋁合金進(jìn)氣管傾轉(zhuǎn)鑄造工藝數(shù)值模擬及優(yōu)化

張章，段月星，辛小剛

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

采用數(shù)值模擬技術(shù)對鑄造過程進(jìn)行模擬可以預(yù)判鑄件的工藝缺陷，避免試錯(cuò)或減少試錯(cuò)次數(shù)，從而能夠有效提升產(chǎn)品的開發(fā)效率。以某型號進(jìn)氣管為研究對象，利用現(xiàn)代化的虛擬制造技術(shù)對金屬型傾轉(zhuǎn)重力鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化。廣西旺峰科技有限公司擬開發(fā)生產(chǎn)的L3000-1008101型號進(jìn)氣歧管為研究對象，對金屬型傾轉(zhuǎn)重力鑄造工藝進(jìn)行相關(guān)研究。利用現(xiàn)代化的虛擬制造技術(shù)，在UG10.0中對該產(chǎn)品模具和熱芯盒的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于鑄造數(shù)值模擬軟件ProCAST對設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行模擬分析。根據(jù)分析結(jié)果，對鑄件的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)，對澆注工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，更好地保證了鑄件的質(zhì)量。

進(jìn)氣管；傾轉(zhuǎn)鑄造；數(shù)值模擬；工藝優(yōu)化

基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)鑄造方法，只能依靠基本理論和經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)鑄造工藝，由于澆注工藝參數(shù)控制的不穩(wěn)定導(dǎo)致鑄件質(zhì)量分散度非常大，且每開發(fā)一套新的模具，都要經(jīng)過反復(fù)的試制才能最終確定澆注方案，浪費(fèi)大量的人力物力。另外，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法為了減少試錯(cuò)次數(shù)，一般冒口和澆道尺寸設(shè)計(jì)都過于保守，產(chǎn)品的工藝出品率都比較低。鑄造數(shù)值模擬技術(shù)在模具開發(fā)階段可以準(zhǔn)確地模擬鑄造的充型過程和凝固過程，提前預(yù)測某種鑄造工藝可能產(chǎn)生的缺陷。可以對鑄件成型過程中各階段流場、溫度場、濃度場、應(yīng)力場進(jìn)行精確計(jì)算，以獲得相對準(zhǔn)確地控制參數(shù)，生產(chǎn)出高品質(zhì)的鑄件，為鑄造企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。本文旨在運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，對鑄件的設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行充型、凝固和卷氣模擬，并預(yù)測鑄件的孔隙和縮松縮孔缺陷。對數(shù)值模擬方法預(yù)測出的工藝缺陷進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化鑄件的模具結(jié)構(gòu)和澆注工藝參數(shù)。設(shè)計(jì)含澆注溫度、澆注速度、模具溫度和傾轉(zhuǎn)角度四種影響因素的正交試驗(yàn)，分析四種因素對鑄件質(zhì)量的影響，試圖探索較好的澆注工藝參數(shù)組合。

1　鑄造工藝設(shè)計(jì)

本進(jìn)氣管主要用于玉柴某款六缸柴油機(jī)，材料為鑄造鋁合金ZL106，其最小處壁厚僅為4mm，屬于薄壁類鑄件，重量5.7 kg，基本輪廓尺寸為852 mm ×206 mm×138mm.零件三維圖如圖1所示。

圖1　進(jìn)氣歧管零件圖

本進(jìn)氣管模具的各個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下所示：

（1）最小鑄出孔、收縮率、起模斜度及機(jī)加工余量的確定

本鑄件的孔都采用機(jī)加工的方法制出，收縮率確定為1.2%，采用增加鑄件厚度的形式確定外邊面的拔模斜度為1°，機(jī)加工余量厚度值設(shè)定為2mm.

（2）澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為充分考慮澆道的排氣和補(bǔ)縮作用，直澆道：橫澆道：內(nèi)澆道截面積比為1:2:1.5，設(shè)計(jì)直澆道的總截面積設(shè)計(jì)為3 400 mm2，橫澆道最小截面積為6 740 mm2，內(nèi)澆道最小截面積為5 000 mm［1］.

（3）冒口的設(shè)計(jì)

生產(chǎn)中為了避免縮松縮孔的產(chǎn)生，通常就需要設(shè)置冒口。采用模數(shù)法設(shè)計(jì)冒口，設(shè)計(jì)冒口的模數(shù)為熱結(jié)處的2倍［2］。

（4）排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在分型面上開設(shè)排氣槽，在頂桿與型腔體的配合面上開設(shè)排氣槽，以及在金屬型芯頭處開設(shè)排氣孔。

（5）分型面的設(shè)計(jì)

進(jìn)氣管管壁很薄截面形狀呈L形，應(yīng)選擇歧管中心線構(gòu)成的面作為分型面，以歧管的最大輪廓線進(jìn)行水平分型。

（6）澆注工藝參數(shù)的確定

初步設(shè)計(jì)澆注速度為0.2 m/s，澆注溫度為730℃，鑄型的下模溫度為275℃、上模溫度為300℃、澆口杯溫度為325℃，傾轉(zhuǎn)角度為45［3］.

含澆道和冒口的鑄件、砂芯三維如圖2所示。

圖2　含澆道和冒口的鑄件、砂芯三維圖

2　數(shù)值模擬

ProCAST軟件是基于有限元技術(shù)的鑄造數(shù)值模擬系統(tǒng)，在ProCAST中對進(jìn)氣管的鑄造過程進(jìn)行了模擬。

2.1充型過程

從圖3可以看出充型20%時(shí)合金液形成紊流，易造成卷氣從而導(dǎo)致鑄件缺陷，繼續(xù)充型合金液會(huì)充滿橫澆道，使?jié)沧⑾到y(tǒng)失去排氣作用，因此：直澆道和橫澆道過度的地方也應(yīng)該改進(jìn)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)內(nèi)澆道尺寸完全相同，通過模擬發(fā)現(xiàn)由于各內(nèi)澆道離直澆道的遠(yuǎn)近不同，鑄型不同部位型腔大小各異所需合金液的量也不同，因此各內(nèi)澆道的尺寸應(yīng)該根據(jù)鑄型各部分型腔大小適當(dāng)調(diào)整，圖3為鑄件充型速度場。

圖3　鑄件充型20%時(shí)速度場

2.2凝固過程

在充型95%時(shí)鑄件已經(jīng)開始凝固。溫度過低使得合金液處于固液共存狀態(tài)流動(dòng)性變差，極易導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷，因此應(yīng)適當(dāng)提高澆注溫度或鑄型溫度，充型過程溫度場如圖4所示。

圖4　充型過程溫度場

2.3縮松縮孔預(yù)測

由于鑄件左側(cè)端蓋處冒口的位置過高，不能很好的補(bǔ)縮到法蘭盤下部，導(dǎo)致法蘭盤下部會(huì)產(chǎn)生縮松縮孔，如圖中Ⅰ處所示；在前側(cè)凸臺和進(jìn)氣端法蘭盤下端也存在輕微的縮松縮孔現(xiàn)象，如圖中Ⅱ處所示；歧管端法蘭盤處圓柱凸臺上的冒口因?yàn)榕c砂芯合型需要，部分被切掉，冒口尺寸減小，導(dǎo)致縮松縮孔沒有完出現(xiàn)在冒口中，如圖中Ⅲ處所示；右側(cè)斜凸臺處冒口不能很好的補(bǔ)縮斜凸臺厚大部分，導(dǎo)致斜凸臺的厚大部分產(chǎn)生縮松縮孔缺陷，如圖5中Ⅳ處示。

圖5　縮松縮孔概率大于30%云圖

3　工藝改進(jìn)

將橫澆道形狀由一字型改為V字型，以便于合金液能夠從澆道中平穩(wěn)順利的流入型腔；適當(dāng)增大兩個(gè)外側(cè)內(nèi)澆道的尺寸，使得合金液更多的流向兩側(cè)以保證整個(gè)鑄件快速均勻充型。

應(yīng)該適當(dāng)增加歧管端法蘭盤處冒口直徑和高度；以分型面為界雙向拔模側(cè)端法蘭盤處冒口使得位置下移；將鑄型的下模溫度提高到300℃、上模溫度提高到325℃、澆口杯溫度提高到350℃，澆注溫度保持不變。改進(jìn)后含澆道冒口的鑄件三維圖如圖6所示。

圖6　含澆道冒口的鑄件三維圖

從圖中可以看出，通過對澆道的改進(jìn)設(shè)計(jì)充型變得更加平穩(wěn)有序，減小了鑄件發(fā)生卷氣的概率，同時(shí)保證了6個(gè)內(nèi)澆道的合金液流量；在充型95%時(shí)，鑄件仍未開始凝固，依然能夠保證大部分合金液高于其液相線，相對改進(jìn)前有明顯改善；通過對相關(guān)冒口的改進(jìn)設(shè)計(jì)，鑄件的縮松縮孔情況得到明顯改善。

改進(jìn)后的模擬如圖7所示。

圖7　改進(jìn)后的模擬結(jié)果

4　結(jié)束語

本文依據(jù)鑄造相關(guān)理論科學(xué)的設(shè)計(jì)了進(jìn)氣管的模具系統(tǒng)；初步確定了進(jìn)氣管的澆注工藝參數(shù)，并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充型過程和凝固過程的數(shù)值模擬分析，預(yù)測出鑄件在實(shí)際生產(chǎn)過程中將會(huì)產(chǎn)生的孔隙和縮松縮孔缺陷；針對模擬結(jié)果對鑄件模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析，有效地避免了因模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的鑄件缺陷。科學(xué)的設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了各澆注工藝參數(shù)對鑄件質(zhì)量的影響，確定改進(jìn)后的澆注工藝參數(shù)澆注溫度為730℃、澆注速度為0.2 m/s（澆注時(shí)間為8.5 s）、下模溫度為300℃、上模溫度為325℃、澆口杯溫度為350℃、傾轉(zhuǎn)角度為45°時(shí)，模擬結(jié)果是相對較優(yōu)的。

［1］揚(yáng)長梅.旋轉(zhuǎn)澆注工藝研究［J］.鑄造技術(shù)，1996，48（3）：40-42.

［2］陳紅兵.鋁合金進(jìn)氣歧管傾轉(zhuǎn)鑄造工藝研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2008.

［3］張亞洲，許濤.CFD技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.上海汽車，2011，12（05）:17-19.

NumericalSimulation and Optim ization of the Casting Process of Alum inum Alloy Intake Pipe

ZHANG Zhang，DUAN Yue-xing，XIN Xiao-gang
（School of Mechanical Engineering，GuangxiUniversity，Nanning Guangxi 530004，China）

The numerical simulation technology of casting process simulation can anticipation the casting defects，to avoid trial and error or reduce the number of trial and error，which can effectively improve the efficiency of product development.Using a certain type of air intake pipe as the research object，the use of modern virtual manufacturing technology to optimize the gravity casting process.Guangxi wang feng technology Co.，Ltd.to develop the production of L3000-1008101 model intake manifold for the research object，the gravity casting process ofmetal.Using the modern virtual manufacturing technology，the various systems of the product die and the hot core box are designed in UG10.0，and the design process is simulated and analyzed based on the numerical simulation software ProCAST.According to the analysis results，to improve the structure of the casting mold design，casting process parameters to adjust，to better ensure the quality of the castings.

intake pipe；tilting casting；numerical simulation；process optimization

TG245；TG244.3

A

1672-545X（2016）06-0170-03

2016-03-08

張章（1988-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事車輛制造技術(shù)研究。