基于正交試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)連體軸瓦鑄造工藝優(yōu)化

雷艷淼，余貴，董菊明，沈默

（黃岡師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，湖北黃岡 438000）

0 引言

發(fā)動機(jī)主軸承蓋是汽車發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件，用量大、工作環(huán)境復(fù)雜、承受載荷大，對產(chǎn)品質(zhì)量有較高要求。發(fā)動機(jī)主軸承蓋一般采用砂型鑄造進(jìn)行生產(chǎn)，對質(zhì)量和性能要求都非常高，鑄件表面不允許有砂眼、渣孔和氣孔等鑄造缺陷，鑄件內(nèi)部不允許有縮孔、縮松和針孔等缺陷[1]。

隨著流體傳熱及凝固理論的成熟和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，鑄造工藝數(shù)值模擬獲得了快速發(fā)展[2]。利用數(shù)值模擬，鑄造工作者可以對鑄造全過程進(jìn)行模擬仿真，在實(shí)際生產(chǎn)之前驗(yàn)證或優(yōu)化所采用的鑄造工藝參數(shù)，克服了鑄造業(yè)長期存在的試制周期長、鑄件成本高、質(zhì)量難以控制等缺點(diǎn), 對鑄造結(jié)果和缺陷基本可以做到“未鑄先知”和“防患于未然”[3-7]。本研究利用Anycasting軟件對發(fā)動機(jī)主軸承蓋鑄造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬正交試驗(yàn)，采用統(tǒng)計(jì)方法研究了影響鑄件質(zhì)量的因素，優(yōu)化了鑄造工藝參數(shù)，并通過生產(chǎn)試制得到質(zhì)量合格的產(chǎn)品。

1 鑄件概況

某發(fā)動機(jī)主軸承蓋5件連體鑄件毛坯（如圖1），輪廓尺寸為148 mm×114 mm× 68 mm，鑄件質(zhì)量為5.4 kg，平均壁厚為30 mm，材質(zhì)為QT500-7球墨鑄鐵。根據(jù)毛坯零件圖設(shè)計(jì)鑄件三維造型如圖2所示，該連體鑄件加工為5個單體發(fā)動機(jī)主軸承蓋。要求對鑄件進(jìn)行X射線探傷檢測，加工面不容許有任何縮松缺陷，非加工面內(nèi)部縮松等級滿足ASTM E446 2級。鑄件的化學(xué)成分要求如表1所示。材料力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度≥450 MPa、屈服強(qiáng)度≥310 MPa、伸長率≥10%、布氏硬度為160～221 HB。

表1 化學(xué)成分要求 %

圖1 毛坯二維簡圖

圖2 發(fā)動機(jī)主軸承蓋5件連體鑄件三維實(shí)體模型

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)企業(yè)造型線實(shí)際，澆注系統(tǒng)采用“一模四件”的水平造型線方案，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)如圖4所示，鐵水流經(jīng)冒口進(jìn)入鑄件，冒口頸作內(nèi)澆道。澆注系統(tǒng)采用前封閉、后開放設(shè)計(jì)，F(xiàn)內(nèi)>F阻

圖4 鑄造工藝方案

冒口的設(shè)計(jì)采用模數(shù)法，選用直徑為70 mm、高為140 mm圓柱冒口，模數(shù)為1.31，拔模斜度為5°，一個冒口要同時補(bǔ)縮兩個鑄件。由文獻(xiàn)[8]經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算總阻流面積F阻=720 mm2，每個阻流截面積為360 mm2，設(shè)計(jì)成6 mm×60 mm阻流薄板。F阻∶F橫∶F直=1 ∶1.15∶1.2。

圖3 冷鐵尺寸

實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，對球墨鑄鐵的汽車零配件中的安全件，受實(shí)際生產(chǎn)制程波動的影響，應(yīng)用均衡凝固理論，縮松穩(wěn)定性差。汽車安全件要求實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品零縮松，不合格件將直接導(dǎo)致召回，故本次工藝優(yōu)化仍以實(shí)現(xiàn)順序凝固為主要設(shè)計(jì)優(yōu)化思路。實(shí)現(xiàn)順序凝固的辦法是冒口搭配冷鐵，冷鐵尺寸如圖4所示，位置如圖4中的1、2、3、4處。

冷鐵具體位置以冷鐵端面與鑄件端面偏移量L表示，如圖4（b）所示。冷鐵位置偏移量L和澆注溫度、澆注高度是影響本鑄件質(zhì)量主要因素，為此設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，尋找最優(yōu)化工藝參數(shù)。

3 正交試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 Anycasting前處理

以給定網(wǎng)格總數(shù)的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為4 004 325。QT450球墨鑄鐵液相線溫度為1148 ℃，固相線溫度為1080 ℃。熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置：冷鐵與鑄件之間為3000 W/（m2·K），冷鐵與砂模之間為1000 W/（m2·K），鑄件及澆注系統(tǒng)與砂模之間設(shè)為Variable，具體變化規(guī)律如表2所示。澆口半徑設(shè)為17.5 mm，收縮模型為重力收縮。

表2 鑄件與砂芯的傳熱系數(shù)

3.2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

用冷鐵位置偏移量、澆注溫度和澆注速度設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，如表3所示。為了解各因素對鑄件質(zhì)量的影響，根據(jù)表3設(shè)計(jì)確定了9種試驗(yàn)方案，如表4所示。使用Anycasting高級鑄造分析中以殘余熔體模數(shù)為參數(shù)的缺陷概率均值（鑄件本體部分）為考核指標(biāo)，充型時間和凝固時間作為輔助參考。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

表4 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

根據(jù)表4正交試驗(yàn)結(jié)果，從直接最優(yōu)化角度分析，第6組的缺陷概率最低，為0.088 656 6%。工藝組合為A2B3C1，即冷鐵偏移27 mm、澆注溫度1430 ℃、澆注速度1.5 m/s。

對正交試驗(yàn)9個方案結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出表3中的P1、P2、P3、Q1、Q2、Q3及R。其中P1、P2、P3分別代表A、B、C因素第1、2、3水平所對應(yīng)的缺陷概率之和；Q1、Q2、Q3分別代表A、B、C因素第1、2、3水平所對應(yīng)的缺陷概率之平均值，R代表A、B、C因素各水平平均值的極差。由表4極差R分析結(jié)果可見，因素影響的大小順序?yàn)锳>B>C,即冷鐵位置影響最為顯著，其次是澆注溫度，澆注高度影響因素較小。以每個因素的水平為橫坐標(biāo)，以考核指標(biāo)的平均值（即Q1、Q2、Q3）為縱坐標(biāo)，繪制各因素的趨勢圖，如圖5所示。由Q1數(shù)值可知，因素A取二水平效果最優(yōu)（缺陷概率最小），同理因素B取三水平最優(yōu)，因素C取二水平最優(yōu)，最優(yōu)組合為A2B3C2，即冷鐵偏移位置為27 mm、澆注溫度為1430 ℃、澆注高度為2.0 m/s，但該組合并未出現(xiàn)在9個試驗(yàn)方案中，它是基于統(tǒng)計(jì)的結(jié)論。

圖5 各因素趨勢圖

3.3 基于最優(yōu)參數(shù)組合的模擬

根據(jù)正交試驗(yàn)分析結(jié)果，使用Anycasting對參數(shù)組合A1B1C3最優(yōu)進(jìn)行工藝模擬（如圖6），模擬結(jié)果為：充型時間為2.3088 s、凝固時間為1558.2377 s。充型順序?qū)哟畏置?、充型動畫顯示充型平穩(wěn)、無卷氣。鑄件實(shí)現(xiàn)了完全順序凝固，最后凝固位置在冒口中，鑄件得到有效補(bǔ)縮。缺陷預(yù)測顯示鑄件本體零縮松，縮松縮孔缺陷均在冒口和澆道中。模擬結(jié)果證明，優(yōu)化的工藝參數(shù)是合理可行的。

圖6 基于最優(yōu)參數(shù)組合的模擬

4 生產(chǎn)試制驗(yàn)證

對本工藝方案進(jìn)行產(chǎn)品試制（如圖7），X射線探傷檢測結(jié)果如圖8所示，檢測結(jié)果表明鑄件內(nèi)部組織致密，無縮孔、縮松和超標(biāo)缺陷顯示，鑄件質(zhì)量均符合要求，試制結(jié)果與鑄造工藝數(shù)值模擬結(jié)果是一致的。試制結(jié)果表明，鑄造工藝方案及工藝參數(shù)合理可行。

圖7 試制樣品

圖8 X射線探傷檢測結(jié)果

5 結(jié)論

1）使用Anycasting鑄造模擬軟件對發(fā)動機(jī)軸瓦連體鑄件進(jìn)行了基于數(shù)值模擬的正交試驗(yàn)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出了最優(yōu)工藝參數(shù)組合，試驗(yàn)成本低、周期短。

2）以缺陷概率為考核指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析表明A1B1C3是最優(yōu)工藝參數(shù)組合，即澆注溫度為1420 ℃、澆注高度為0.2 m、冷鐵偏移位置為27 mm。生產(chǎn)試制及檢測證明產(chǎn)品致密性良好，無縮松、縮孔缺陷，工藝方案和工藝參數(shù)合理可行。