數(shù)值模擬的鋁缸體鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計

魏 劍 ，劉智煒

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.綠色鑄鍛及高端部件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明 365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，福建 三明 365004；5.廈門強力巨彩光電科技有限公司，福建 廈門 361100)

我國汽車工業(yè)的發(fā)展，面臨能源環(huán)保問題的巨大壓力。為了降低能耗排放,汽車輕量化迫在眉睫。據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)統(tǒng)計，普通乘用車整車質(zhì)量減輕10%，可節(jié)油6%～8%，排放降低4%；重型貨車質(zhì)量每減輕1 000 kg，燃油消耗可降低6%～7%。新材料應(yīng)用和先進(jìn)成型工藝是汽車輕量化技術(shù)的重點。據(jù)不完全統(tǒng)計，在構(gòu)成汽車的全部材料中，金屬材料約占66.9%，非金屬材料約占28.5%，液體材料約占4.6%。目前得到應(yīng)用的輕量化材料有高強鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鑄鐵及粉末冶金等，金屬材料仍占主導(dǎo)地位。鋁的密度只有鋼的1/3，強度卻與低碳鋼接近，且在汽車上廣泛應(yīng)用，由受力不大的鋁散熱器、鋁支架到發(fā)動機殼體、變速器殼體、離合器殼體，鋁車輪（以上全部為鑄造鋁合金），再到三角臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、鋁制橫梁，最后到鋁機罩、翼子板、車身覆蓋件（這些零件多數(shù)采用變形鋁合金）[1-2]。

汽車鋁合金發(fā)動機缸體成形的傳統(tǒng)方法是金屬型鑄造，金屬制作型腔，砂芯構(gòu)成缸體中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。由于金屬型本身散熱條件好，可避免產(chǎn)生較大的縮孔缺陷，缸體具有較高的尺寸精度和幾何公差，但由于模具質(zhì)地細(xì)密，不具有透氣性，在設(shè)計金屬型型腔時需要專門留有排氣管，且金屬型鑄造不具有退讓性，容易使缸體產(chǎn)生澆注不完整和開裂的問題。李忠芳、秦紅斌、蘇為強等利用實際試制澆鑄及模擬分析軟件相結(jié)合的方法，分析鑄件的成形過程，調(diào)整優(yōu)化工藝參數(shù)，研究采用重力鑄造生產(chǎn)鋁合金箱體、卡鉗、前副車架縱梁鑄件。此法對金屬型重力鑄造生產(chǎn)鑄件的缺陷解決有一定的借鑒意義[3-5]。本課題以鋁合金缸體鑄件為研究對象，采用 anycasting模擬軟件，對充型及凝固過程的溫度場進(jìn)行了模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化澆注系統(tǒng)（包括冒口和內(nèi)澆口），設(shè)計出生產(chǎn)工藝方案，旨在為缸體鑄造生產(chǎn)提供參考。

圖1為鋁合金缸體三維圖，零件的形狀較為復(fù)雜，外部凸臺多，占發(fā)動機三分之一的質(zhì)量，作為發(fā)動機的承力件，對力學(xué)性能有著嚴(yán)格的要求。其外形尺寸為710mm×280mm×210mm，體積約為1.68×107mm3， 質(zhì)量是 4.639 kg，表面以曲面為主并且內(nèi)部有通孔，最小壁厚為24 mm，最大壁厚約為45 mm，平均壁厚約為30 mm，是典型的高強度薄壁復(fù)雜鑄件。由于薄壁結(jié)構(gòu)件的特殊性，在鑄造過程中，金屬液的表面張力流動造成較大的影響［6-7］。 如補縮不當(dāng)，易形成縮孔、縮松等缺陷，因此，對所用金屬材料收縮率和鑄型材料的退讓性提出了較高的要求，否則鑄件的品質(zhì)和尺寸精度難以控制。

圖1 發(fā)動機缸體鑄件模型

1 鑄造工藝設(shè)計及仿真分析

1.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)是用來將合金液引流入型腔的，主要由澆口杯、橫澆道、直澆道、內(nèi)澆口等組成。澆包的金屬液體需要從澆口杯進(jìn)入，以防止合金液飛濺和溢出，降低液體流動時對型腔造成沖擊[8-9]。直澆道將來自澆口杯的金屬液，引入到橫澆道，再流經(jīng)內(nèi)澆口進(jìn)入型腔。澆注系統(tǒng)的設(shè)計方案會對澆注鑄件的質(zhì)量和鑄件凝固過程中的溫度分布造成影響，故建立擴張式澆注系統(tǒng)，選擇底注式澆注，確保金屬液平穩(wěn)地從鑄型底部充型。

1.2 澆注系統(tǒng)的尺寸設(shè)計

鑄件充型好的時間稱為澆注時間，其取決于澆注溫度，溫度低時間短，易產(chǎn)生渦流造成鑄造缺陷。因此，選擇合適的澆注時間尤其重要。澆注時間由鑄造金屬的類型和鑄件形狀大小決定，目前，生產(chǎn)中鑄造時間的公式主要來自于一些生產(chǎn)企業(yè)和實驗科研的數(shù)據(jù)。若是澆注系統(tǒng)的尺寸與鑄件實際尺寸之間的差值很小，那么在計算澆注時間時必須要考慮澆注系統(tǒng)的重量。對于鑄件質(zhì)量小于450 kg的澆注時間可以用以下公式來計算[7]：

式中t為澆注時間，單位s;w為鑄件重量，單位kg;k為常數(shù)。

對于內(nèi)澆口長度和斷面尺寸，應(yīng)盡可能選擇切割方法中內(nèi)澆道L最短的值，根據(jù)鑄件外形的實際數(shù)據(jù)確定內(nèi)澆口的截面的大小。對于直澆道應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)直澆道，高度H也隨著改變。

橫澆道的斷面尺寸可按經(jīng)驗公式計算兩者的面積[10]：

澆注系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示，具體如下：直澆道設(shè)在缸體長度方向位置，直徑為50 mm，距缸體25 mm處；橫澆道長為520 mm，寬40 mm，高50 mm；為了讓金屬液從鑄件的下方充填鑄件，在鑄件下方設(shè)置了3平行的內(nèi)澆口。

1.3 澆注過程仿真

使用pro/e軟件建好三維缸體和澆注系統(tǒng)，格式保存為STL格式，導(dǎo)入到anycasting中，之后需要將澆注系統(tǒng)和缸體的三維建模裝配在一起，然后才能進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，anycasting模擬軟件中前處理模塊由anyPRE來完成。圖3為導(dǎo)入的模型界面。之后設(shè)定缸體鑄造工藝參數(shù)和一些邊界條件，完成模擬仿真過程實驗。

圖2 澆注系統(tǒng)三維圖

圖3 anycasting澆注系統(tǒng)設(shè)置界面

1.4 充型過程模擬結(jié)果及分析

設(shè)定澆注溫度分別為650、750和850℃，進(jìn)行不同澆注溫度的實驗比較，見如4。

圖4 充型時間狀態(tài)界面

從圖4看出相同的澆注系統(tǒng)，相同的澆注速度，充型過程的液體流動情況基本相同，鋁合金液體通過澆道分成三股進(jìn)入型腔，從下到上進(jìn)行填充，直到填充到系統(tǒng)的最上方，從整體上看，雖然缸體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但鋁合金液體的流動還是較為平穩(wěn)的，并且能夠按照順序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行充填。

從圖5～7以看出，由于鋁合金的熔點比較低，當(dāng)澆注溫度為650℃時，合金液進(jìn)入內(nèi)澆道靠近型腔壁時快速冷卻，而內(nèi)部金屬液體還在流動，導(dǎo)致交界處質(zhì)密度不是很好，強度不夠，鑄件很容易破壞；當(dāng)澆注溫度為750℃時，較高于鋁合金的熔點，避免了低溫時出現(xiàn)的流動性差問題，750℃時整體溫度補充作用良好，金屬液不會快速冷卻到熔點以下；當(dāng)澆注溫度為850℃時，金屬液的流動性基本與750℃持平，但溫度過高，導(dǎo)致充填過程易吸入空氣，形成氣渦[11]。接下來對比750℃和850℃時的凝固過程。

圖5 650℃充型過程

圖6 750℃充型過程

圖7 850℃充型過程

鑄件凝固過程就是金屬溫度降低從液相線到固相線轉(zhuǎn)變的過程，即液體變?yōu)楣腆w。液態(tài)金屬結(jié)晶過程即形核和長大，結(jié)晶過程決定著鑄件凝固后的結(jié)晶組織[12]，影響結(jié)晶組織因素有澆注溫度、凝固溫度范圍、散熱條件等。

從圖8～9凝固過程看出，凝固過程的溫度分布規(guī)律為鑄件上部分的溫度高于下部分的溫度，鑄件中心的溫度高于鑄件邊緣的溫度，即鑄件的下部和表面部分會先凝固。圖10表明650℃時降溫速度過快，流動不均勻會導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力，發(fā)生變形缺陷；750℃相對平穩(wěn)，冷卻比較均勻，缺陷相對減少；而850℃時冷卻偏慢，內(nèi)外溫差大，補縮不良，缺陷反而增多。

圖8 750℃凝固過程

圖9 850℃凝固過程

圖10 概率缺陷參數(shù)

綜合分析，750℃時澆注溫度最好，產(chǎn)生的缺陷相對最少，產(chǎn)品的性能相對穩(wěn)定，但還存在一定的縮松，為此進(jìn)行工藝優(yōu)化，在鑄件厚壁和熱節(jié)部位增加冒口，調(diào)整內(nèi)澆口數(shù)量，在鑄件成型時補給金屬，提高鑄件質(zhì)量。

2 鑄造工藝優(yōu)化及仿真分析

2.1 工藝優(yōu)化

按照“順序凝固原則”冒口尺寸應(yīng)保證冒口比它要補縮的部位凝固得晚,還應(yīng)該有足夠的合金液補給。通過查表得到標(biāo)準(zhǔn)件冒口的直徑和高度，并設(shè)計在鑄件的上方，為了使金屬液在澆注時充型更加平穩(wěn)與均勻，澆注系統(tǒng)增加了內(nèi)澆口的數(shù)量，使得內(nèi)澆口的位置和冒口的位置相對應(yīng)便于排渣，見圖11。

圖11 優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)

2.2 優(yōu)化模擬結(jié)果分析

圖12表明，金屬液由主橫澆道流經(jīng)10個內(nèi)澆口，鑄件自下而上完成充型，符合充型順序要求，金屬液充型過程平穩(wěn)且流動均勻，充型過程的時間為30s，符合設(shè)計初衷。圖13中，缸體表面的溫度較低，在充型剛結(jié)束時，缸體表面的某些部位最低溫度已經(jīng)降低到672℃，保持在液相線上，避免了鑄件還沒完成充型會提前凝固。

圖12 充型時間界面

圖13 充型過程

圖14與圖8相比較，在鑄件凝固5%時，鑄件下方內(nèi)澆口內(nèi)的金屬液和鑄件厚度較大的部位中的金屬液溫度相對較高，而鑄件上方和鑄件表面的金屬液的溫度相對較低，此時內(nèi)澆口提供的金屬液對鑄件有補縮作用，隨著時間的增加，冒口基本能夠?qū)崿F(xiàn)對鑄件厚、大部位的補縮作用。

圖14 凝固過程

圖15與圖10（b）相比較，鑄件出現(xiàn)縮松的地方明顯減少，但仍有4處縮孔，面積相對較小，鑄件質(zhì)量明顯提高。

圖15 度概率缺陷參數(shù)

3 結(jié)論

通過對鋁合金缸體的結(jié)構(gòu)分析，確定了鋁合金缸體鑄造系統(tǒng)的澆注位置和澆注系統(tǒng)的工藝參數(shù)。借助anycasting軟件，模擬不同澆注溫度條件下，鋁合金缸體的的充型和凝固過程。根據(jù)三個不同溫度下金屬液的填充時間、填充過程及填充時溫度的變化情況以及金屬液凝固過程中凝固順序、凝固時間和鑄件縮松縮孔，得到合適的澆注溫度為750度。優(yōu)化冒口的數(shù)量、位置及內(nèi)澆口，實現(xiàn)金屬液的順利充型，實現(xiàn)合金液良好的補縮，進(jìn)一步減少鑄件的縮松縮孔缺陷的出現(xiàn)，為鋁合金缸體的試制和批產(chǎn)提供依據(jù)。