鋁合金發(fā)動機(jī)后體座壓鑄工藝數(shù)值模擬與優(yōu)化

摘 要：利用Anycasting軟件模擬分析了ADC12鋁合金發(fā)動機(jī)后體座在液態(tài)金屬充型過程與凝固過程中，不同壓鑄條件下，不同工藝參數(shù)對鑄件性能的影響，有效地預(yù)測了液態(tài)金屬在凝固過程中產(chǎn)生氣孔和疏松的部位，獲得較優(yōu)的壓鑄工藝參數(shù)。同時，運(yùn)用P-Q圖對該工藝參數(shù)進(jìn)行了可行性分析，為提高ADC12鋁合金發(fā)動機(jī)后體座的壓鑄質(zhì)量提供依據(jù)。模擬結(jié)果表明，鑄件最優(yōu)工藝參數(shù)為：低速壓射速度0.2m/s，高速壓射速度2.5m/s，澆注溫度為670℃，模具溫度為200℃。通過實際壓鑄試驗結(jié)果表明，該工藝參數(shù)符合生產(chǎn)工作要求，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：缺陷預(yù)測；壓鑄工藝；發(fā)動機(jī)座；數(shù)值模擬

中圖分類號：TG249.2；TG156.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Numerical simulation and optimization of die casting process

for aluminum alloy engine rear seat

LIU jun1， WANG zongjing1， DU rui2， CUI jiangtao1

（1. School of Mechanical Engineering， Yancheng Institute of Technology，

Yancheng 224002， Jiangsu， China;

2. Jingjiang Shunda mold Technology Co.， Ltd.， Jingjiang 214500， Jiangsu， China）

Abstract： In this paper， Anycasting software was used to simulate and analyze the influence of different process parameters on the liquid metal filling and solidification process of the rear body of the ADC12 aluminum alloy engine under different die casting conditions， effectively predicting the porosity and porosity of the liquid metal during the solidification process， and obtaining better die casting process parameters. At the same time， the feasibility analysis of the process parameters is carried out by using P-Q diagram， which provides a basis for improving the die-casting quality of the rear body of the ADC12 aluminum engine. The simulation results show that the optimal process parameters are as follows： low speed injection 0.2m/s， high speed injection 2.5m/s， casting temperature of 670℃， mold temperature of 200℃. The actual die casting test results show that the process parameters meet the production requirements and can be used for mass production.

Key words： defect prediction; diecasting process; engine seat; numerical simulation

0 引 言

壓鑄鋁合金鑄件有尺寸精度高、材料利用率達(dá)90%、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)［1］。以前的模具生產(chǎn)主要是靠工人師傅的經(jīng)驗生產(chǎn)，并且需要進(jìn)行大量的反復(fù)試驗和壓鑄生產(chǎn)，浪費(fèi)大量的人力和物力。近年來產(chǎn)品更新迭代快，客戶對縮短開發(fā)周期的需求也在不斷提升。

為了能夠更快地確定壓鑄件澆排系統(tǒng)，現(xiàn)可以通過壓鑄模擬分析軟件在實際壓鑄生產(chǎn)前進(jìn)行數(shù)值模擬分析，觀察金屬的流向，并預(yù)測出鑄件在充型和凝固過程中可能出現(xiàn)的各種缺陷，如氣孔、疏松等及其部位［2］，以便提前采取相應(yīng)的對策，以達(dá)到從全局出發(fā)，優(yōu)化壓鑄過程，降低生產(chǎn)成本的目的。

本文針對鋁合金發(fā)動機(jī)后體機(jī)座，運(yùn)用模流仿真軟件Anycasting對發(fā)動機(jī)座的充型和凝固過程進(jìn)行仿真模擬。通過試驗和模擬計算的結(jié)果，確定了最佳的壓鑄工藝參數(shù)組合，降低了鑄件的缺陷率，提高了鑄件質(zhì)量。

1 零件總體分析

發(fā)動機(jī)后體座的三維模型如圖1所示。它的整體外形尺寸為183mm×111mm×176mm，質(zhì)量為5.73kg。如圖2所示。用NX軟件可計算出發(fā)動機(jī)后體座的壁厚參數(shù)為：最大壁厚27.3mm，平均壁厚7.13mm，壁厚差較大。

由圖1可以看出，鑄件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，中間部位有深腔、外壁以及底部布置了比較多的交叉薄壁筋板。工況要求鑄件上的孔位需要加工，連接面需要精加工，如圖3所示。黃色區(qū)域為需加工打磨和精加工面，且鑄件要求無氣孔、疏松等缺陷，深腔部分需要通過水下測漏試驗。

2 數(shù)值模擬前處理及工藝參數(shù)設(shè)定

2.1 鑄件及澆注系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)動機(jī)后體座鑄造模型如圖4所示，該鋁合金發(fā)動機(jī)后體座采用臥式冷室壓鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，壓鑄機(jī)品牌與型號為力勁DCC800，壓射沖頭直徑為90mm，采用扇形分流道。鑄件平均厚度較大，為使凝固時的鑄型的溫度分布均衡合理，需要同時實現(xiàn)順序凝固，在發(fā)動機(jī)后體座鑄件周圍都設(shè)置了集渣包和排氣道，以實現(xiàn)收集冷料和內(nèi)部氣體的功能。

2.2 模擬過程邊界條件

在實際壓鑄模擬過程中，相應(yīng)的邊界條件是根據(jù)實際壓鑄階段來確定的，模具的邊界條件可分為三類［4］：鑄型與鑄件、空氣與鑄型、鑄型和流體介質(zhì)。在本模擬中，空氣與鑄件、空氣與鑄型的界面換熱系數(shù)取41W/（m2·K），鑄型與鑄件的界面換熱系數(shù)取1200W/（m2·K）。壓鑄模擬過程中，使用的合金材料和鑄型材料分別是ADC12鋁合金和H13模具鋼，表1為ADC12在570℃下的物理參數(shù)，表2為H13材料的物理性質(zhì)［5］。

2.3 模擬過程工藝參數(shù)

將帶有澆排系統(tǒng)的鑄件三維模型導(dǎo)出為Stl的文件格式，并導(dǎo)入Anycasting軟件之中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于鑄件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)澆口的壁厚與鑄件壁厚不同，采用不均勻網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分澆排系統(tǒng)網(wǎng)格邊長為0.004m，劃分鑄件型腔網(wǎng)格邊長為0.002m，生成網(wǎng)格數(shù)量。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 充型速度分析

在進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)時，壓射速度的選取極其重要。而壓射速度分為兩級，第Ⅰ級為慢壓射速度，在這一階段中，要求將壓室中的金屬液充滿壓室，在既不過多地降低合金液溫度又利于排出壓室中的氣體的原則下，該階段速度應(yīng)盡量低，一般以0.15～0.30m/s為宜。第Ⅱ級為高速壓射速度，它與充型質(zhì)量有著十分密切的關(guān)系，沖頭壓射速度過低，鑄件無法成型或成型品質(zhì)較差。然而該鑄件中間部分壁厚較大，高速壓射速度也不宜過快，該鑄件高速壓射速度以2～3m/s為宜［6］。表3為該壓鑄件慢壓射速度與高速壓射時充型速度的參數(shù)。對3組充型速度進(jìn)行模擬，選出較優(yōu)的慢壓射速度和高速壓射速度進(jìn)行試驗。

圖5為分別以表3中3組充填速度，在不同充型時間下進(jìn)行金屬液鑄件充型的模擬結(jié)果。圖5（a）， 5（b）， 5（c）分別表示以每組充型速度在充型時間t=32ms時分別對鑄件內(nèi)澆口充型的結(jié)果。從圖5可看出1， 2兩組金屬液可平穩(wěn)填充，且整齊地通過澆道到達(dá)內(nèi)澆口，沒出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象；而從圖5（c）中可以看出，在t=32ms的時間下，由于充型速度較快，金屬液飛濺會快速撞擊到鑄件外壁，在最后產(chǎn)品成型時可能會在鑄件表面產(chǎn)生氣孔，影響鑄件的強(qiáng)度。圖5（d）～5（f）分別為3組充型速度在充型時間t=84ms時的充型結(jié)果，從圖中可看出3組都可以順序填充；然而從圖5（f）中可以看出，因為鑄件兩邊與中間的金屬液充填速度不一致，會使得流動過快的金屬液與流動較慢的金屬液混合，共同填充空白區(qū)域，見圖5（f）中A區(qū)域，該區(qū)域易出現(xiàn)卷氣現(xiàn)象，產(chǎn)生氣孔。在相同充型時間t=134ms時，由圖5（g）可知，由于充型速度較慢，金屬液流動性變差，填充不完整，且溫度下降快易出現(xiàn)夾渣現(xiàn)象，從而產(chǎn)生鑄件缺陷；而由圖5（h）可知，金屬液流動較好，未出現(xiàn)由充型速度快慢不均造成的填充不完整的空白區(qū)域，填充率也較好；圖5（i）相較于圖5（g）的充型速度較快，流動性較好，在相同充型時間下充填率較高。然而在B區(qū)域有未填充的白色區(qū)域，該區(qū)域由于被兩股金屬液包圍后才慢慢被填充，可能會導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)憋氣現(xiàn)象，產(chǎn)生缺陷。在實際壓鑄生產(chǎn)時，金屬液的充型速度選取應(yīng)該滿足填充時金屬液不飛濺，能順序填充，可盡量把空氣排出，且能在一定時間內(nèi)把壓室填充完整。故在本次壓鑄生產(chǎn)中選取表3第2組充型速度：慢壓射速度為0.2m/s，高速壓射速度為2.5m/s可滿足生產(chǎn)要求。

3.2 充型過程分析

圖6為模擬發(fā)動機(jī)后體座在不同充型階段的模擬結(jié)果示意圖。由圖可知，在充型率t=20%時鋁液開始從料餅通過流道進(jìn)入內(nèi)澆口，在充型率t=30%時，鋁液以噴射的狀態(tài)開始進(jìn)行填充，這是正常壓射速度由低速向高速轉(zhuǎn)換的過程，壓射速度切換為高速后，金屬液平穩(wěn)進(jìn)入型腔開始填充。當(dāng)充型率t=65%時，合金液開始慢慢向深腔內(nèi)部和四周散開進(jìn)行填充。當(dāng)充型率t=90%時，金屬液最終在遠(yuǎn)離型腔的最邊緣溢流槽處匯合。最終充型時間為0.1689s，金屬液已經(jīng)充滿鑄件型腔，并進(jìn)入末端的排溢系統(tǒng)，溢流槽和渣包中包含了許多型腔中排出的合金液及氣體，說明流溢槽和排氣槽相互配合，起到了良好作用。整個充型過程比較平穩(wěn)，合金液沒有出現(xiàn)飛濺、欠鑄等現(xiàn)象，很大程度上可以避免卷氣現(xiàn)象的發(fā)生，說明澆注、排溢系統(tǒng)設(shè)計合理。經(jīng)過分析認(rèn)為，上述所選充型速度符合工藝要求，可用于生產(chǎn)壓鑄試驗。

3.3 澆注溫度對鑄件質(zhì)量的影響

當(dāng)澆注鋁液溫度過高時，會導(dǎo)致鑄件的內(nèi)部填充不緊密，產(chǎn)生裂紋等問題。澆注溫度過低時，金屬液流動不暢，在流動過程中，前面的鋁液可能會先發(fā)生凝固，使得鋁液難以充分填充模具，在鑄件中會產(chǎn)生氣孔、縮松等現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄件質(zhì)量下降［7］。本試驗?zāi)M澆注溫度分別為650℃和670℃，模具溫度初步選擇為200℃，慢壓射速度為0.2m/s，高速壓射速度為2.5m/s。

圖7（a）， 7（b）為鑄件在670℃下澆注凝固率過程示意圖，圖7（c）， 7（d）為鑄件在650℃下澆注凝固率示意圖。由圖7（a）， 7（c）可知，以兩種不同溫度充型時，凝固過程中，合金液從最邊緣溢流槽部分先凝固，接著在鑄件厚壁處和深腔后端開始凝固，然后在型腔中間部分發(fā)生凝固，接著是內(nèi)澆道，澆口處最后凝固，實現(xiàn)了薄處、厚處、內(nèi)澆道的順序凝固，而凝固過程的溫度隨著時間的變化是先迅速下降，隨后逐漸變得平穩(wěn)。

在Anycasting軟件中，殘余熔體模數(shù)是用來表達(dá)和預(yù)測鑄造過程中鑄件可能出現(xiàn)疏松缺陷的部位的重要依據(jù)［9］。圖8（a）， 8（b）和圖8（c）， 8（d）分別為650℃和670℃澆注時鑄件斷面殘余熔體模數(shù)預(yù)測缺陷分布圖，從圖中可以看出，鑄件出現(xiàn)缺陷的部位在深腔和渣包處，而渣包是后期需要加工去掉的，所以對鑄件缺陷沒有影響。

圖8（a）， 8（c）中，當(dāng)澆注溫度為650℃時，金屬液凝固后在深腔壁厚較大的區(qū)域有明顯的缺陷產(chǎn)生，而圖8（c）， 8（d）表明，在670℃時，金屬液凝固后在深腔位置處的缺陷明顯減少。然而，鑄件應(yīng)首先滿足組織性能，為了最大程度地避免鑄造缺陷的產(chǎn)生，670℃是更好的澆注溫度，可以最大程度上減少氣孔、疏松等鑄造缺陷。

3.4 模具溫度對鑄件質(zhì)量的影響

壓鑄前需要將模具預(yù)熱到一定溫度，如果模具溫度過高，成型產(chǎn)品在冷卻固化時可能會收縮不均勻或失去形狀，導(dǎo)致產(chǎn)品表面不光滑、變形，出現(xiàn)焊線或者氣泡等缺陷，甚至可能會損壞模具［11］。而且，過高的模具溫度會消耗大量的能源，影響生產(chǎn)效率和成本。然而，過低的模具溫度也會導(dǎo)致產(chǎn)品表面不光滑，出現(xiàn)縮孔等缺陷，同時也會使產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性下降。本試驗中模具溫度分別選用200℃和220℃，澆注溫度均選擇670℃，慢壓射速度為0.2m/s，高速壓射速度為2.5m/s。

圖9（a）， 9（b），圖9（c）， 9（d）分別為模溫200℃和220℃時的鑄件順序凝固過程圖，在兩種模溫下，澆注均能實現(xiàn)順序凝固。模溫在200℃時，鑄件順序總凝固時間為40.2783s，模溫為220℃時，鑄件順序總凝固時間為43.5648s?？梢钥闯觯T件的凝固時間隨著模具溫度的降低而有所縮短，提高了生產(chǎn)效率。

圖10為不同模溫條件下鑄件后部及帶筋條部位的斷面縮孔缺陷預(yù)測圖，由圖10（a）， 10（b）可知，當(dāng)模溫為200℃時，在鑄件后部會出現(xiàn)疏松缺陷。由圖10（c）， 10（d）可知，當(dāng)模具溫為220℃時，鑄件在凝固過程中，后部會發(fā)生疏松缺陷，相較于模具溫度為200℃時，缺陷明顯增加。在實際壓鑄生產(chǎn)時，應(yīng)該首先滿足組織性能的要求，為了減少鑄造缺陷的產(chǎn)生，模具溫度應(yīng)當(dāng)選用200℃。

3.5 壓鑄可行性分析

運(yùn)用P-Q圖可以進(jìn)行壓鑄前的可行性分析，在壓鑄件出現(xiàn)缺陷時，可以分析問題出現(xiàn)的原因，定位工藝調(diào)整方向。圖11為壓鑄模具計算的壓鑄可行性分析表格，其中包括壓鑄機(jī)數(shù)據(jù)、模具數(shù)據(jù)、型腔填充數(shù)據(jù)和合金數(shù)據(jù)的計算表格。

如圖12是根據(jù)壓鑄參數(shù)的可行性分析數(shù)據(jù)所生成的P-Q圖，其中壓鑄機(jī)特征曲線表示模具與壓鑄機(jī)的匹配程度，P-Q圖的模具線和設(shè)備線交點(diǎn)在所需要的壓鑄工藝窗口內(nèi)部中間區(qū)域，說明此模具設(shè)計方案和壓鑄機(jī)的規(guī)格選取合理。而圖中紅點(diǎn)為所用最優(yōu)參數(shù)的系統(tǒng)工作點(diǎn)，該點(diǎn)為選取的最佳工藝參數(shù)是符合工藝窗口里實際壓鑄生產(chǎn)的工作條件。

綜合上述模擬分析結(jié)果，可得出最優(yōu)的壓鑄工藝參數(shù)為：澆注溫度為670℃，模具溫度200℃，慢壓射速度0.2m/s，高速充型速度2.5m/s。

4 優(yōu)化參數(shù)試驗驗證

為驗證優(yōu)化參數(shù)后方案的可行性，采用表4中的壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行試模打樣。

圖13為實際生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)后體座壓鑄件。需加工的3個面和孔都進(jìn)行了精加工和去毛刺，如圖14所示。通過X射線檢測儀可以看到，其鑄件內(nèi)部氣孔和疏松的部位。由X射線探傷圖（圖15）可知，在模擬中產(chǎn)生缺陷的位置可以清楚地看到鑄件的內(nèi)部沒有氣孔、疏松等現(xiàn)象。所選擇的工藝參數(shù)與實際壓鑄件的生產(chǎn)情況相吻合，產(chǎn)品質(zhì)量有所提高，可滿足生產(chǎn)需求。

4.1 鑄件內(nèi)部剖切圖

由上述模擬分析可知，鑄件可能出現(xiàn)缺陷的部位主要集中在深腔壁厚處。把上述鑄件可能產(chǎn)生缺陷的部位用立式臺鋸切開以便觀察。由圖16可以看出，鑄件的內(nèi)部光滑，填充緊密并沒有氣孔、疏松等缺陷出現(xiàn)，質(zhì)量符合實際生產(chǎn)要求。

4.2 鑄件產(chǎn)品氣密性檢測

該產(chǎn)品對其內(nèi)部深腔部分有密封要求。圖17是水式氣密性檢查法，為了進(jìn)行氣密性檢測，將鑄件置于水槽中，使其完全浸沒在水中。接著通過空氣機(jī)上的金屬管對其進(jìn)行壓緊密封，以確保在密閉條件中進(jìn)行空氣打壓。測試中可以觀察到，在水槽中沒有氣泡冒出，表明鑄件的周邊以及內(nèi)部沒有氣孔延伸到鑄件外部。鑄件內(nèi)部深腔符合氣密性要求，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行生產(chǎn)。

5 總 結(jié)

（1） 采用低速壓射速度0.2m/s，高速壓射速度2.5m/s，在充型過程中，無金屬液飛濺、欠鑄等現(xiàn)象，金屬表面光滑，可以實現(xiàn)順序填充。

（2） 結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定了ADC12鋁合金發(fā)動機(jī)后體座最佳壓鑄工藝參數(shù)為：澆注溫度為670℃，模具溫度為200℃，低速充型速度為0.2m/s，高速充型速度為2.5m/s。

（3） 通過優(yōu)化參數(shù)后的實際試模與驗證可知，所選參數(shù)可以有效避免發(fā)動機(jī)后體座鑄件產(chǎn)生氣孔、縮松等缺陷，滿足技術(shù)要求，為實際生產(chǎn)提供了有效的工藝生產(chǎn)模板。

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