不同澆注工藝下氣缸蓋變形規(guī)律分析

王福祥，孫曉敏，陳秀明，王 超，杜紀柱，季 托

（1.濰柴動力股份有限公司 工藝工匠研究院，山東濰坊 261061；2.濰柴動力（濰坊）材料成型制造中心有限公司，山東濰坊 261199）

0 前言

隨著國家排放標準不斷升級，柴油發(fā)動機愈發(fā)要求高爆壓、輕量化，氣缸蓋的結(jié)構(gòu)設計更加復雜、一體化程度更高，氣缸蓋壁厚越來越薄[1]。氣缸蓋結(jié)構(gòu)復雜化、薄壁化給鑄造過程造成較大的難題，例如氣缸蓋在鑄造過程中更易產(chǎn)生縮松、縮孔、氣孔、變形等缺陷問題。目前，關于氣缸蓋的縮松、縮孔、氣孔等缺陷，很多學者[2，3]進行了研究分析，但針對氣缸蓋變形的問題，相關研究卻非常少見。

鑄造過程中的諸多工序會導致鑄件變形。鑄件變形原因大致分為兩類[4]：一類是外部變形，鑄造表現(xiàn)為鑄件焊補過程中應力變形[5]、受熱膨脹變形以及鑄件打箱清理過程中的機械變形；另一類變形為內(nèi)部變形，主要表現(xiàn)為鑄造應力變形和熱處理應力變形，其中鑄造應力變形更為突出。鑄造應力變形主要是指在鑄件凝固過程中因凝固先后順序不同、凝固速率不同產(chǎn)生鑄造應力，在后續(xù)打箱清理過程中釋放出來從而導致鑄件變形[6]。本文以本公司某款氣缸蓋為研究對象，運用CAE 仿真分析，并結(jié)合生產(chǎn)實際情況，統(tǒng)計不同澆注工藝下氣缸蓋變形情況，分析澆注工藝對氣缸蓋變形規(guī)律的影響。

1 澆注工藝設計

該氣缸蓋尺寸為1110mm×320mm×136mm，毛坯凈重166kg，為我公司現(xiàn)在開發(fā)的高速機產(chǎn)品。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗與材質(zhì)要求，在澆注工藝設計時作兩種設計方案。一種方案為立澆工藝，一箱兩件，兩鑄件對向放置，在噴油器孔位置布置三通發(fā)熱保溫冒口，冒口熱模數(shù)為3.8cm。立澆工藝方案如圖1a 所示，類型為先封閉后開放式，阻流面積為3900mm2，澆口比[7]S直：S阻：S內(nèi)=1.1:1:1.9。另一種方案為平澆工藝，一箱一件，在氣缸蓋噴油器孔上方位置布置發(fā)熱保溫冒口，冒口模數(shù)為2.2cm。平澆工藝方案如圖1b 所示，類型同樣為先封閉后開放，阻流面積為2300mm2，澆口比S直：S阻：S內(nèi)=1.1:1:1.9。

圖1 澆注工藝設計

2 仿真分析

針對不同澆注工藝下的鑄件變形，利用MAGMAsoft 軟件進行仿真模擬。模擬參數(shù)設置與實際生產(chǎn)過程接近，具體參數(shù)為：澆注溫度為1430℃，潮模砂造型工藝，打箱時間統(tǒng)一設定為10h。計算過程中計算模型網(wǎng)格數(shù)為600 萬，其中鑄件及澆注工藝網(wǎng)格數(shù)設置為60 萬。不同澆注工藝下，鑄件變形模擬結(jié)果如圖2 所示。不難發(fā)現(xiàn)，平澆工藝下氣缸蓋變形呈現(xiàn)“中間凸、兩端凹”趨勢，而立澆工藝下氣缸蓋變形趨勢相反，呈現(xiàn)為“中間凹、兩端凸”。

圖2 不同澆注工藝下鑄件變形趨勢

3 生產(chǎn)驗證

3.1 測量設備與方法

本測量使用氣缸蓋為經(jīng)過兩種不同澆注工藝下生產(chǎn)出來的同批次毛坯，澆注溫度為1425～1430℃，打箱時間為10h，其他工序處理過程均相同。氣缸蓋變形量測量設備使用的是三坐標劃線測量機，測量精度為（0.03±0.03）L/mm，設備如圖3 所示。

圖3 三坐標劃線測量機

測量具體操作流程：

（1）將氣缸蓋毛坯上平面朝下放置在測量轉(zhuǎn)臺上，以3 處底平面加工定位點（三角位置）為水平零點，通過劃線機調(diào)整水平，直至3 處加工定位點高度差在0.1mm 以內(nèi)。

（2）從氣缸蓋前端開始，每間隔150mm 左右在氣缸蓋寬度方向選取2 個不同位置點（圓圈位置）進行高度測量，并記錄。長度方向約選取8 個位置點。

（3）重復以上步驟2，直至上述所有位置點測量完成，測量位置點如圖4 所示。

圖4 氣缸蓋底平面測量位置點

3.2 變形結(jié)果分析

不同澆注工藝下氣缸蓋變形趨勢如圖5 所示。不難看出，立澆工藝下鑄件呈現(xiàn)“兩端凹、中間翹”的變形趨勢，氣缸蓋最大變形量為1.36mm 左右。平澆工藝下，鑄件變形趨勢相反，呈現(xiàn)“兩端翹、中間凹”，氣缸蓋最大變形量在1.15mm 左右。兩種澆注工藝下氣缸蓋變形量均滿足生產(chǎn)使用條件，但氣缸蓋變形趨勢恰好相反，這與CAE 仿真模擬結(jié)果相吻合。

圖5 不同澆注工藝下鑄件變形趨勢

應力是引起鑄件變形的根本原因[8]，機械阻礙應力和熱應力是兩大主要分類，機械阻礙應力通常經(jīng)過振動落砂后方可消除，而由凝固過程中各部位溫度不一致導致的熱應力往往較難控制，需要重點關注。不同澆注下，鑄件相同位置的溫度場不同，相同位置的收縮傾向也不相同。平澆工藝下，發(fā)熱冒口與內(nèi)澆道布置在鑄件上平面和底平面，溫度場更加均衡，熱應力相對較小。立澆工藝下，發(fā)熱冒口與內(nèi)澆道均布置在鑄件上平面，鑄件上下兩面溫度場差異大，熱應力較大，從而變形趨勢更加明顯。

4 結(jié)論

結(jié)合CAE 仿真模擬分析及實際生產(chǎn)驗證，得出結(jié)論如下：

（1）不同澆注工藝下氣缸蓋變形趨勢相反。平澆工藝下鑄件變形趨勢呈現(xiàn)“兩端凸、中間凹”，立澆工藝下鑄件變形趨勢相反，呈現(xiàn)“兩端凹、中間凸”。

（2）熱應力是引起氣缸蓋變形的根本原因。兩種澆注下鑄件變形量均在1.5mm 以內(nèi)，滿足實際生產(chǎn)使用條件。