發(fā)動機鋁合金缸蓋低壓鑄造的數(shù)值模擬

魏 劍，吳 龍，胡 州

(1.三明學院 機電工程學院，三明 365004；2.機械現(xiàn)代設計制造技術福建省高校工程研究中心，三明 365004；3.綠色鑄鍛及高端部件協(xié)同創(chuàng)新中心，三明 365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術研究中心，三明 365004；5.江蘇大學 機械工程學院，鎮(zhèn)江 212000)

2017 年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》中的車身輕量化技術路線提出大力推進輕金屬材料在汽車上的應用，預計2030年單車用鋁量達到350 kg[1].低壓鑄造的澆注系統(tǒng)比較簡單，具有90%以上的成品率[2-3]，是汽車零件熱成形工藝之一.由于汽車發(fā)動機零件鑄鋁合金具有更高的高溫疲勞強度、熱機械疲勞性能、抗疲勞微裂紋能力與更長的使用期限等優(yōu)點，精密成形鑄件在市場上的比重進一步增大[4-5]，汽車零部件朝著輕量化、精確化、強韌化方向發(fā)展.鋁合金缸蓋是典型的薄壁、復雜鑄件，并在力學性能以及滲漏方面有特別的要求，它的開發(fā)成功與否直接決定著發(fā)動機性能的好壞.本文通過對鋁合金發(fā)動機缸蓋低壓鑄造過程的數(shù)值模擬仿真，來預測因鑄造工藝不合理而引起的鑄造缺陷，為工藝系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論指導.

1 鋁合金缸蓋模擬過程

圖1 發(fā)動機缸蓋模型

1.1 模型建立

發(fā)動機是汽車的“心臟”，發(fā)動機質量無疑是決定汽車性能好壞的重要指標.而發(fā)動機缸蓋是發(fā)動機上最重要的部件之一，其上部接發(fā)動機凸輪軸，下部與發(fā)動機缸體相連.發(fā)動機缸蓋在發(fā)動機工作中需要承受來自發(fā)動機燃燒室內產生的壓力和高溫，工作環(huán)境惡劣.發(fā)動機缸蓋是大型薄壁復雜零件，尺寸精度與力學性能的要求均比較高，因此發(fā)動機缸蓋的鑄造工藝難度較大.本文選擇研究的發(fā)動機缸蓋長、寬、高尺寸分別為243，240，113 mm，鑄件質量4.464 kg，三維模型如圖1所示，材料為鑄造鋁合金AC4B，其性能參數(shù)見表1.

表1 AC4B材料性能參數(shù)

1.2 澆注系統(tǒng)設計

圖2 澆注系統(tǒng)

發(fā)動機缸蓋屬于大型復雜鑄件，澆注系統(tǒng)的合理設計與否會影響缸蓋進、排氣面的氣(渣)孔，為降低鑄件廢品率，應解決澆注過程中鋁液充入型腔的速度過快，湍流嚴重，帶入的氣體多，生成的氧化渣多的問題.該鑄件澆注系統(tǒng)由澆杯(未畫出)、升液管、澆道、缸蓋鋁鑄件型腔組成(圖2).在低壓鑄造過程中，為實現(xiàn)平穩(wěn)充型，防止金屬液在充型過程中引起紊流，需控制內澆口出口線速度ν≤15 cm/s.鋁合金鑄件澆注系統(tǒng)內澆口總橫截面積按式(1)計算：

Ag=Gc/(ρνt)

(1)

式中：Ag為內澆口總橫截面積，cm2；Gc為鑄件質量，g；ρ為合金液密度，g/cm3；ν為內澆口出口線速度，cm/s；t為充型時間，s.

本文所選用材料為AC4B，鑄件質量4464 g，密度為2.77 g/cm3，按能穩(wěn)定充型的最大速度校核，取內澆口出口線速度15 cm/s.充型時間按金屬液在鑄型中的上升時間計算：

t=h/ν升

(2)

式中：h為型腔高度，本文所研究鑄型高度為113 mm；ν升為金屬液在型腔中的上升速度，一般而言ν升=1～8 cm/s，本文中取1.6 cm/s.

求得內澆口總橫截面積：

取內澆口總截面積為16 cm2.該澆注系統(tǒng)包括4個內澆口，每個內澆口的面積按照鋁液將要填充鑄件的體積進行合理的分配，靠近圖2右側的內澆口截面積稍大些.

1.3 壓力與速度關系

低壓鑄造過程中，增大密閉坩堝容器中的壓力，使得金屬液沿升液管經(jīng)內澆口進入型腔中.升液速度與壓力之間的關系推導如下[6]，連續(xù)方程如式(3)，斷面處伯努利方程如式(4)：

π(R2-r2)ν2=πr2ν1

(3)

式中：R為坩堝截面半徑；r為升液管截面半徑.

(4)

式中：ν1為升液管中的液面上升速度，m/s；ν2為坩堝內液面下降速度，m/s；Z1為t秒后升液管中的液面高度，m；Z2為t秒后坩堝內液面高度，m；hg為壓頭的阻力損失，m；P1為升液管內壓力值，Pa；P2為坩堝內壓力值，Pa.

將Z1=H-Δ；Z2=-Δ；P1=P0；P2=P0+ΔP代入式(4)得

式中：Δ為坩堝內液面下降高度，m；H為升液管液面初始高度，m；P0為大氣壓力，Pa；ΔP為坩堝內液面與升液管液面壓力差，Pa.

那么充型t秒時兩液面相對速度ν：

ν=ν1+ν2

(5)

(6)

(7)

對上式時間t進行求導，即

(8)

(9)

若ν1為常值，則壓力應呈一次函數(shù)直線變化，即k=ρg(1+A).可由上述推導將數(shù)值模擬過程中的壓力曲線轉化為速度曲線，壓力變化和速度變化如表2、圖3所示.

1.4 數(shù)值模擬

利用三維軟件solidworks對發(fā)動機缸蓋及澆注系統(tǒng)進行模型建立，并在AnyCasting的前處理模塊AnyPRE導入*.stl格式文件.在前處理模塊中利用變換中的平移、旋轉、鏡像對模型進行裝配.設置實體和模具后劃分網(wǎng)格數(shù)量為1 015 746個.設置材料，初始條件設定，整個澆注系統(tǒng)初始溫度為25 ℃，模具初始溫度為390 ℃.澆注系統(tǒng)與空氣之間熱交換系數(shù)為41.84 W/(m2·K)，澆注系統(tǒng)與模具之間熱交換系數(shù)為1673.6 W/(m2·K).為實現(xiàn)充型質量良好，應保持充型溫度高于材料金屬液相線以上.結合實際生產工藝要求，設定充型溫度為700 ℃.激活收縮模型，凝固收縮體積變化依據(jù)材料庫默認值7.14%.激活流體流動模型，選擇標準CSF模型，表面張力值選定0.685 N/m.湍流模型設置為RNGk-ε湍流模式.設置充型過程、凝固過程計算求解方法.設定求解結束條件為凝固率100%，輸出條件為充型率、固相分數(shù)、時間.

表2 缸蓋低壓鑄造過程壓力、速度與時間變化

圖3 速度曲線

2 模擬結果分析與優(yōu)化

2.1 充型過程

充型過程中，金屬液在氣體壓力下通過升液管自下而上經(jīng)內澆口進入型腔中，總充型時間為19.46 s.充型過程是復雜的流動場與溫度場耦合作用，因此對鑄件質量起重要影響的關鍵因素為：金屬液的流動，金屬液與模具、空氣之間的熱交換.對于金屬液的流動，其澆口位置的設定、澆注溫度的大小、壓力曲線的變化均是影響流體流動效果的關鍵因素.澆注溫度控制在700 ℃，按等流量比例與黏性不穩(wěn)定流體流動阻力情況，計算4個內澆口截面積與澆口位置.按壓力曲線轉化后的速度曲線進行模擬分析.由圖4充型結果可知，此澆注工藝參數(shù)下可實現(xiàn)合金溶液的平穩(wěn)充型，充型過程的溫度場大致上也符合實際生產情況.

圖4 充型過程

2.2 凝固過程

鑄件凝固過程是高溫金屬液由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程.凝固結晶包括形核與晶核長大2個過程.影響鑄件組織形成的主要因素有：澆注溫度、鑄模冷卻能力、冷卻條件、金屬材料性能等.金屬凝固過程的缺陷主要包括：縮孔、縮松、氣孔及熱裂等.

在此過程中，高溫金屬液所含有的熱量必須通過各種途徑向模具或空氣、水、油等介質傳遞，最終凝固形成鑄件.鋁合金發(fā)動機缸蓋屬于大型復雜薄壁鑄件，故采用順序凝固，如圖5所示.鑄件的順序凝固是通過控制鑄件溫差變化，實現(xiàn)鑄件遠離冒口或澆口的部位先凝固，按距離冒口或澆口位置的遠近逐次凝固，通過冒口或澆口實現(xiàn)補縮.

圖5 凝固過程

2.3 缺陷分析

為防止合金溶液在充型過程中發(fā)生紊流，對合金溶液流速做出了嚴格控制.合金溶液在低速充型過程中，有可能出現(xiàn)充型未到100%就有部分遠離內澆口區(qū)域發(fā)生局部冷卻的情況，嚴重的可能產生冷隔和澆不足現(xiàn)象.在這種缺陷下若直接調整充型速度將會引起充型過程中流體的紊流現(xiàn)象.因此對于冷隔和澆不足缺陷，應通過提升澆注溫度和模具初始溫度來防止.在澆注溫度700 ℃及相應較為合理的壓力曲線參數(shù)下，從圖6外壁、內腔和斷面看出該鋁合金缸蓋凝固效果良好并未發(fā)生冷隔和澆不足缺陷.

圖6 凝固效果

殘余熔體模數(shù)是用以分析鑄件存在縮松缺陷的重要依據(jù)[7].殘余熔體模數(shù)的公式為

(10)

式中：RM為殘余熔體模數(shù)，m；RV為殘余熔體體積，m3；RA為殘余熔體表面積，m2.

當RV越大時，則說明孤立熔池區(qū)就會越大，就越可能產生縮松缺陷.同樣，當RA越小時，則說明熔體比較集中，也越可能形成孤立熔池，產生縮松缺陷.

圖7(a)箭頭所示的白色區(qū)域和圖7(b)箭頭所示的藍色區(qū)域是易產生較大的孤立熔池區(qū)，可能出現(xiàn)縮松缺陷；圖7(c)中箭頭所示位置在合金液的凝固過程中也易產生縮松缺陷.

圖7 殘余熔體模數(shù)

2.4 優(yōu)化處理及結果

影響充型過程的主要因素有：澆注系統(tǒng)結構、升液速度和充型速度的大小、澆注溫度等.而影響凝固過程的主要因素有：冷卻條件、增加結晶壓力值等.在現(xiàn)有的澆注系統(tǒng)和澆注工藝參數(shù)下，充型過程合理，不過仍產生了縮松缺陷，故從2個方面進行優(yōu)化調整：①為實現(xiàn)順序凝固，在某些遠離澆口同時又冷卻緩慢的區(qū)域增加布置冷卻水管；②為實現(xiàn)合金溶液凝固過程中急速結晶增加壓力.具體實施如圖8中箭頭所示，這2處冷卻水管很好地解決了該處凝固熔體體積大且金屬型模具不透氣、無退熱性的問題[8-10].

優(yōu)化冷卻系統(tǒng)后重新進行模擬，得到殘余熔體概率缺陷分布情況(圖9)，易發(fā)生孤立熔池區(qū)域明顯減少，除某些距離澆口位置較近區(qū)域外，其余部位均不會發(fā)生縮松缺陷.由于靠近澆口位置最后凝固，因此不可避免產生孤立熔池.

圖8 冷卻水管布置

圖9 殘余熔體概率缺陷分布

3 結論

1) 采用AnyCasting軟件的鑄造模擬技術可以用來研究低壓鑄造過程所涉及到的基本問題.通過模擬鑄造充型過程及凝固過程溫度場的分布，合理設置澆注系統(tǒng)，調整鑄造工藝參數(shù)，能為實際制造生產過程提供有意義的指導.

2) 當澆注系統(tǒng)采用4個澆口，取金屬液上升速度1.6 cm/s，澆注溫度700 ℃時，可以實現(xiàn)AC4B鋁合金缸蓋的平穩(wěn)充型及順序凝固，不存在冷隔和澆不足缺陷，但仍有縮松缺陷.

3) 在遠離澆口且冷卻緩慢的區(qū)域增加布置冷卻水管以及增壓后，除某些距離澆口位置較近區(qū)域外，其余部位均不會出現(xiàn)縮松缺陷.