鋁合金飛輪殼的低壓鑄造工藝分析

閆澤雙 馬勝煜 辛立剛 張桂昌

1.煙臺海德專用汽車有限公司 山東煙臺 264000

2.漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

3.中國民航大學 天津 300300

飛輪殼是車輛動力系統(tǒng)中極其重要的動力輸出零部件，也是至關(guān)重要的承受載荷的部件，在小型掃路機上，飛輪殼安裝于車架體和發(fā)動機之間，直接承受來自發(fā)動機的傾覆力矩，且飛輪殼上安裝有啟動機及變量泵。飛輪殼的好壞直接影響了掃路機動力輸出系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，尤其使用鋁合金材質(zhì)的飛輪殼，在鑄造過程中難免出現(xiàn)鑄造缺陷，影響結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

本文的研究對象為某小型掃路機的發(fā)動機飛輪殼，供方已經(jīng)對此飛輪殼開模，試制之后發(fā)現(xiàn)飛輪殼的懸架連接點等有比較大的縮松。因此筆者團隊針對此模具進行了相關(guān)鑄造分析，依據(jù)仿真結(jié)果改進模具結(jié)構(gòu)以期獲得良好的鑄造件品質(zhì)，保證零部件可靠性。

1 飛輪殼及缺陷介紹

飛輪殼的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，屬于典型的薄壁殼體結(jié)構(gòu)。由于需要在飛輪殼上安裝變量泵，飛輪殼的一側(cè)整個懸空在外，對結(jié)構(gòu)剛度影響非常大，加工過程中易產(chǎn)生變形，尤其懸外部分與底部定位面的連接外置，截面積發(fā)生突變，不合理的結(jié)構(gòu)會導致此位置產(chǎn)生應(yīng)力集中。在受到異常振動和顛簸時，應(yīng)力易超出材料極限，從而發(fā)生開裂。飛輪殼與車架體的連接位置屬于發(fā)動機懸置點，此位置直接承受發(fā)動機重量以及動力輸出時的傾覆力矩，是一個大的載荷承受點，設(shè)計強度不足時，易開裂，直接影響掃路機的行車作業(yè)安全。通常情況下，此種飛輪殼采用鋼板折彎拼焊的方式進行制作，需要復(fù)雜的焊接工裝保證焊接變形量，焊接后再進行機加工，制作周期長，飛輪殼重量大。

本課題的飛輪殼，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，薄壁零件，平均壁厚僅為6 mm，重量為4.5 kg，輪廓尺寸為354 mm×434 mm×97.6 mm，材料采用AlSi7Mg0.3合金。

圖1 飛輪殼

該飛輪殼使用低壓鑄造工藝生產(chǎn)，開模后進行零部件試鑄，試鑄之后在加工連接孔時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，并對發(fā)現(xiàn)缺陷位置進行了線切割，切割后零部件的缺陷如圖2所示。

圖2 缺陷圖片

2 飛輪殼鑄造工藝仿真

利用Procast對飛輪殼建立鑄造仿真模型，將簡化后的模具三維數(shù)模，以.xt的格式導入到Procast，建立曲面，封閉鑄造型腔。生成模具及鑄造毛坯兩個實體，設(shè)置面網(wǎng)格及體網(wǎng)格尺度；生成面網(wǎng)格，并對面網(wǎng)格進行檢查，修復(fù)面網(wǎng)格。之后以面網(wǎng)格為基礎(chǔ)生成體網(wǎng)格，共生成3164585個體網(wǎng)格。

進入cast LPDC模塊，進行低壓鑄造相關(guān)參數(shù)設(shè)置。包括場設(shè)置，各體積的類型、材質(zhì)設(shè)置、初始溫度，各交界面換熱條件設(shè)置，澆鑄邊界條件（澆鑄速度、壓力、方向等），計算參數(shù)設(shè)置等，如圖3所示。計算前進行模型設(shè)置的檢查，無報錯后進行澆鑄計算、零部件凝固計算、高級縮松縮孔計算。其中模具采用通用模具鋼H13，飛輪殼采用AlSi7Mg0.3合金，模具溫度設(shè)置為325℃，合金液溫度設(shè)置為725℃，在15 s內(nèi)勻速充型，充型后以15 kPa的絕對壓力保壓，室溫冷卻。

圖3 LPDC設(shè)置頁面

建立仿真模型后進行仿真計算，最終得到零部件的整個充型和冷凝過程如圖4所示，整個冷凝的過程中模具上設(shè)置的補縮塊起到了良好的補縮作用，在充型后到充型后50 s內(nèi)未在零部件本體上發(fā)生獨立液相區(qū)。

通過觀察整個冷凝過程，發(fā)現(xiàn)在充型后的50.767 s時零部件本體出現(xiàn)獨立液相區(qū)，其發(fā)生的位置正是缺陷A區(qū)域，其獨立液相區(qū)的細節(jié)圖片如圖5所示。該區(qū)域金屬液與澆鑄口金屬液不連通，與補縮塊的金屬液也不連通，在冷凝時得不到金屬液補充，出現(xiàn)縮松。在充型后52.676 s時零部件本體再次出現(xiàn)一個獨立液相區(qū)，其發(fā)生位置正是缺陷B區(qū)域，其獨立液相區(qū)的細節(jié)如圖5所示，該區(qū)域冷凝時得不到金屬液的補充，出現(xiàn)縮松。

消除獨立液相區(qū)可以通過加快獨立液相區(qū)冷卻速度或者減慢補液端冷卻速度的方式進行，發(fā)生獨立液相區(qū)的位置位于飛輪殼懸架點的連接位置，此處位置需要加工連接螺紋，對強度有一定的要求，因此通過減薄零部件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)加快獨立液相區(qū)冷卻的方式不太可取，考慮加大補縮塊的體積來減慢補縮液端的冷卻速度，從而消除零部件本體上的獨立液相區(qū)。

原A區(qū)域補縮塊厚度為25 mm，長度為34 mm，原B區(qū)域補縮塊厚度為28 mm，長度為30 mm。為減慢補縮塊金屬液的冷卻速度，將A區(qū)域的補縮塊厚度增加為45 mm，長度增加為65 mm，B區(qū)域補縮塊厚度增加為45 mm，長度增加為84 mm，更改前后的對比如圖6所示。對更改后的模型重新建立仿真模型。

其余工藝參數(shù)/網(wǎng)格尺度不做調(diào)整，對模型重新劃分網(wǎng)格，最終得到3166189個體網(wǎng)格，使用同樣的計算參數(shù)進行仿真計算，得到改進后的充型和冷凝過程，觀察冷凝的過程，未發(fā)現(xiàn)在零部件本體上出現(xiàn)獨立液相區(qū)，充型50 s前后A區(qū)域和B區(qū)域的冷凝細節(jié)情況如圖7所示。

圖7 改進后模具澆鑄展示

根據(jù)分析結(jié)果，改制模具，加大A區(qū)域和B區(qū)域的補縮塊體積。

3 應(yīng)用改制后的模具試鑄

按照分析結(jié)果，金屬液溫度控制在(725±5)℃，模具溫度控制在（325±20）℃，充型時間控制在15 s，保壓壓力設(shè)定在1.5 bar，澆鑄現(xiàn)場圖片及毛坯圖片如圖8所示。

圖8 澆鑄現(xiàn)場及毛坯

對試鑄的零部件A區(qū)域和B區(qū)域進行線切割處理，切割后的截面如圖9所示?？梢杂^察到A區(qū)域和B區(qū)域的縮松問題得到很好的解決，剖切面組織良好致密。

圖9 新鑄件AB區(qū)域截面

4 結(jié)語

應(yīng)用Procast可以有效地仿真低壓鑄造零部件充型及冷凝過程，快速定位零部件本體上的獨立液相區(qū)，通過調(diào)整補縮塊體積，調(diào)整局部冷卻順序，消除零部件本體上的獨立液相區(qū)，從而達到消除縮松的目的。