汽車EGR閥座壓鑄充型凝固過程數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

李 鑫，梁繼輝，黃 勇，岳峰麗，孟昭昕

(沈陽理工大學(xué) a.汽車與交通學(xué)院;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

汽車EGR閥座壓鑄充型凝固過程數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

李 鑫a，梁繼輝a，黃 勇b，岳峰麗a，孟昭昕b

(沈陽理工大學(xué) a.汽車與交通學(xué)院;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

對汽車EGR閥座進行結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計正交試驗表，運用ProCAST軟件，根據(jù)正交試驗方案對汽車EGR閥座壓鑄充型凝固過程進行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化出EGR閥座壓鑄工藝參數(shù)：壓射速度1m/s,模具預(yù)熱溫度190℃，澆注溫度620℃。設(shè)計并制造出EGR閥座壓鑄模具，用優(yōu)化出的壓鑄工藝參數(shù)進行壓鑄實驗，得到了合格的EGR閥座壓鑄件。觀察其金相組織，EGR閥座產(chǎn)品性能滿足使用要求，驗證了模擬結(jié)果的正確性，可應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。

EGR閥座；數(shù)值模擬；正交試驗；工藝優(yōu)化

壓力鑄造是一種把液態(tài)或半固態(tài)金屬在高速高壓下充入壓鑄模型腔內(nèi)，并使鑄件在這種狀態(tài)下凝固所形成的一種方法[1]。壓力鑄造是特種鑄造的一種鑄造方式，可大量生產(chǎn)出與壓鑄型腔相符的鑄件，且生產(chǎn)過程是連續(xù)的，在生產(chǎn)過程的后處理階段可以達到少切削量甚至無切削量[2]，這有別于其它工藝方法。近幾年來，汽車行業(yè)越來越注重汽車的輕量化、低排放以及高效率[3]，因此，壓力鑄造工藝引起了汽車制造業(yè)的廣泛關(guān)注。

1 EGR閥座結(jié)構(gòu)分析

EGR(Exhaust Gas Recirculation)閥座結(jié)構(gòu)尺寸為66mm×66mm×65mm,，平均壁厚為3.11mm。結(jié)構(gòu)對稱且較復(fù)雜，EGR閥座下方存在四處加強肋，在其上方存在兩個對稱通孔。根據(jù)EGR閥座的形狀及結(jié)構(gòu)特征，將澆注系統(tǒng)設(shè)計為雙內(nèi)澆口的澆注方式，設(shè)計四個溢流槽來改善充型及排除氣體，分型面設(shè)計為梯形，模具設(shè)計中需一個側(cè)抽芯。閥座材料為ADC12，模具材料為 H13。圖1為EGR閥座三維造型圖。圖2為EGR閥座的鑄件圖。

圖1 EGR閥座的三維造型圖

圖2 EGR閥座的鑄件圖

2 正交試驗設(shè)計及模擬結(jié)果分析

正交試驗是利用正交表在所有試驗中選出具有代表性的試驗方案，并根據(jù)試驗結(jié)果進行分析，從而獲得優(yōu)化方案，因此，正交試驗設(shè)計可大大減少模擬時間[4]。影響壓鑄件質(zhì)量的因素有很多，例如內(nèi)澆口的尺寸大小及模具預(yù)熱溫度、澆注溫度、壓射速度等工藝參數(shù)都對鑄件質(zhì)量有很大的影響[5]。試驗?zāi)繕?biāo)是為了獲得較高質(zhì)量的產(chǎn)品(縮孔、縮松量較少)以及較高的生產(chǎn)效率(充型時間及凝固時間較短)。因此，選擇壓射速度(A)、模具預(yù)熱溫度(B)、澆注溫度(C)、內(nèi)澆口長度(D)、內(nèi)澆口寬度(E)、內(nèi)澆口厚度(F)為因素[6]，以充型時間、凝固時間以及縮孔縮松量為指標(biāo)建立六因素三水平正交試驗表。其中，縮孔、縮松量由平均體積百分比來表示[7]。表1為因素水平表，表2為正交試驗結(jié)果表,表3為正交試驗分析表。

圖3為各因素對充型時間、凝固時間以及縮孔、縮松值的影響。

圖3 各因素對充型時間、凝固時間及縮孔、縮松值的影響

充型時間分析：根據(jù)正交試驗分析表可知，各因素對充型時間影響的主次順序為：壓射速度(A)>澆注溫度(C)>模具預(yù)熱溫度(B)>內(nèi)澆口長度 (D)>內(nèi)澆口寬度(E)>內(nèi)澆口厚度(F)。由圖3可知：壓射速度越大，充型時間越少，這是因為在同種情況下，壓射速度越大，金屬液體進入內(nèi)澆口的速度越大[8]。與壓射速度相比，其它因素對充型時間的影響都很小。

表1 因素水平表

表2 正交試驗結(jié)果表

表3 正交試驗分析表

凝固時間分析:由正交試驗分析表可知，對凝固時間影響最大的因素是模具預(yù)熱溫度。由圖3可知，當(dāng)模具預(yù)熱溫度越高，凝固時間越長。這是由于模具預(yù)熱溫度越高，金屬液的散熱速度越慢[9]；其次是澆注溫度，當(dāng)澆注溫度越高時，金屬液的冷卻速度越慢，因此凝固時間越長；相比之下，壓射速度、內(nèi)澆口長度、內(nèi)澆口寬度以及內(nèi)澆口厚度對凝固時間的影響較小。

縮孔、縮松值分析：根據(jù)正交試驗分析表可知，各因素對縮孔、縮松值影響的主次順序為：內(nèi)澆口厚度(F)>內(nèi)澆口寬度(E)>模具預(yù)熱溫度(B)=內(nèi)澆口長度(D)>澆注溫度(C)>壓射速度(A)。由圖3可知，適宜的增加內(nèi)澆口的厚度，有利于內(nèi)澆口處向型腔內(nèi)繼續(xù)傳遞壓力，有效的減少縮孔、縮松值[10]；適當(dāng)增加內(nèi)澆口的寬度也有利于減少鑄件的縮孔、縮松值；模具預(yù)熱溫度對鑄件縮孔、縮松值的影響也較顯著，當(dāng)模具預(yù)熱溫度從180℃上升到190℃時，鑄件的縮孔、縮松值有明顯的降低趨勢，當(dāng)模具預(yù)熱溫度繼續(xù)上升時，過高的模具溫度會使金屬液的冷卻速度變慢，鑄件容易出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷[11]；隨著內(nèi)澆口長度變大，鑄件的縮孔、縮松值呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，這是由于內(nèi)澆口長度過大，則會阻礙內(nèi)澆口處向內(nèi)傳遞壓力[12]；隨著澆注溫度的增加，鑄件的縮孔、縮松值也呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，當(dāng)澆注溫度為620℃時，鑄件的縮孔、縮松值最低。對比之下，壓射速度對鑄件的縮孔、縮松值的影響并不顯著。

優(yōu)化工藝參數(shù)的確定：在壓鑄工藝生產(chǎn)中，最首要的是保證鑄件的質(zhì)量[13]，在保證鑄件質(zhì)量的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減少充型時間及凝固時間，以此來縮短鑄件的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。因此，以縮孔、縮松值為主，以充型時間、凝固時間為輔綜合考慮來確定優(yōu)化的工藝參數(shù)，分析得到優(yōu)化的壓鑄工藝參數(shù)為A1B2C2D2E3F3，即壓射速度1m/s,模具預(yù)熱溫度190℃，澆注溫度620℃；內(nèi)澆口尺寸為：內(nèi)澆口長度2.5mm，內(nèi)澆口寬度17mm，內(nèi)澆口厚度2.6mm。

3 優(yōu)化工藝參數(shù)的數(shù)值模擬

根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)對EGR閥座進行數(shù)值模擬，圖4為閥座壓鑄充型過程圖，圖5為閥座壓鑄凝固過程圖，圖6為EGR閥座縮孔縮松缺陷圖。

圖4 閥座壓鑄充型過程圖

鑄件充型過程分析：金屬液體經(jīng)過直澆道、橫澆道及內(nèi)澆口后，沿著EGR閥座兩端進入型腔內(nèi)，首先金屬液沿著壁面填充EGR閥座上方的兩個通孔；隨之向型腔中心處流動，后向型腔下方流動；同時，型腔上側(cè)的金屬液由于碰到型腔中部的壁面而改變方向，向上繼續(xù)填充，直到型腔被填滿，最后充滿溢流槽，充型過程完畢。

圖5 EGR閥座壓鑄凝固過程圖

鑄件凝固過程分析：由于模具預(yù)熱溫度相對于金屬液的溫度較低，因此EGR閥座的表面、肋板以及溢流槽部分最先凝固，如圖5a所示。隨著凝固過程進一步進行，除了壁厚較大處及直澆道處，鑄件的大部分都已經(jīng)凝固，如圖5b所示。在圖5c中，鑄件除了直澆道上方未凝固外已全部凝固。最后，鑄件全部凝固，如圖5d所示。

圖6 EGR閥座縮孔、縮松缺陷圖

鑄件縮孔、縮松分析：圖6所示，鑄件的縮孔、縮松主要集中在鑄件壁厚較大的位置處，且分布較對稱；在四個溢流槽內(nèi)存在部分縮孔、縮松，這對鑄件質(zhì)量無影響；在距離內(nèi)澆口較遠(yuǎn)位置處存在少量的縮孔、縮松。用優(yōu)化的工藝參數(shù)模擬出的縮孔、縮松平均體積百分比值為0.57%，小于18組正交試驗中的任一一組試驗值，故鑄件質(zhì)量得到較大改善，優(yōu)化工藝可行。

4 生產(chǎn)驗證

根據(jù)優(yōu)化后的壓鑄工藝參數(shù)進行汽車EGR閥座壓鑄生產(chǎn)。圖7為生產(chǎn)出來的EGR閥座，鑄件形狀清晰，表面光滑，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果對鑄件容易產(chǎn)生縮孔、縮松的位置(選擇如圖8所示A點位置處)進行金相組織觀察，圖9為A點金相組織圖，可以看出鑄件微觀孔洞較少，且容易產(chǎn)生縮孔縮松的位置位于鑄件的中間，對鑄件質(zhì)量影響較小。由此證明該鑄件質(zhì)量合格，可以大批量生產(chǎn)，驗證了模擬結(jié)果的正確性。

圖7 生產(chǎn)出的EGR閥座產(chǎn)品圖

圖8 鑄件A點位置

圖9 鑄件A點位置金相組織圖

5 結(jié)論

(1) 模擬了EGR閥座壓鑄充型凝固過程，優(yōu)化設(shè)計出壓鑄工藝參數(shù)：壓射速度1m/s，模具預(yù)熱溫度190℃，澆注溫度620℃。

(2) 對鑄件進行了生產(chǎn)驗證，得到了合格的EGR閥座。通過金相組織觀察，證明了產(chǎn)品性能滿足要求，驗證了模擬結(jié)果的正確性，并可應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。

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NumericalSimulationandProcessOptimizationofAutoEGRSeatDie-casting

LI Xin，LIANG Jihui，HUANG Yong，YUE Fengli，MENG Zhaoxin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The structure of the automobile′exhaust gas recirculation valve seat was analyzed,The table of the orthogonal experiment was designed,According to orthogonal test scheme,the numerical simulation of the filling and solidification process of EGR valve seat was carried out by using ProCAST software.According to the simulation results,the die-casting process parameters of the EGR valve seat was optimized:injection speed 1m/s,mold preheating190℃,pouring temperature 620℃.The diecasting mold of the EGR valve seat was designed and manufactured.The die casting experiment was carried out with the optimized die-casting process parameters,and the qualified EGR valve seat die casting was obtained.Observing the microstructure,EGR valve Seat product performance can meet the requirements,the correctness of the simulation results was verified,which can be applied to production practice.

EGR valve seat；numerical simulation；orthogonal experiment;process optimization

2017-05-08

李鑫(1993—)，女，碩士研究生；通訊作者：梁繼輝(1978—)，男，副教授，研究方向：汽車現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)。

1003-1251(2017)06-0014-05

TG249.2

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趙麗琴)