原標(biāo)題：鑄件優(yōu)化！基于數(shù)值模擬的正時(shí)鏈蓋壓鑄工藝研究

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈蓋采用鋁合金高壓鑄造生產(chǎn)，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面，是發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)齒輪及鏈條保護(hù)罩。汽車零部件輕量化一直是汽車零部件研發(fā)的方向和目標(biāo)，因此鋁合金高壓鑄造零件也趨向于形狀復(fù)雜的薄壁件。由于正時(shí)鏈蓋結(jié)構(gòu)、形狀的特殊性，同時(shí)產(chǎn)品的尺寸、性能、表面質(zhì)量都有很高的要求，給鑄造工藝帶來(lái)很大的難度。因此在開發(fā)前期，借助AnyCasting軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以快速確定合理的工藝方案，降低模具開發(fā)的成本和時(shí)間。

圖文結(jié)果

圖1為一款新研發(fā)的正時(shí)鏈蓋3D圖。從外形來(lái)看該零件呈羊角狀，中間鏤空區(qū)域較大，薄壁處設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋，周邊有不規(guī)則的窄條密封面。鑄件外形輪廓尺寸為590 mm×356 mm×46 mm，質(zhì)量為2.135 kg，鑄件中部一般壁厚為2 mm。鑄件材質(zhì)為ADC12合金，密封性能要求在100 kPa壓力下，允許泄漏量最大為10 mL/min。由于正時(shí)鏈蓋安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面，又是外觀件，鑄件不允許有流痕、冷隔等表面缺陷。

對(duì)正時(shí)鏈蓋的壁厚和起模斜度進(jìn)行分析，見圖2。鑄件中間壁厚為2 mm，邊緣最大壁厚為21.9 mm；起模斜度≥1.5°，滿足工藝要求。依據(jù)鑄件起模角確定分型線，主分型面選擇在鑄件最大輪廓處，為平面分型面，局部異形按分型線形狀設(shè)計(jì)局部分型面，因鑄件無(wú)側(cè)向抽芯和凹陷，所以無(wú)需設(shè)置側(cè)抽分型面。

內(nèi)澆口的位置設(shè)計(jì)是澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，內(nèi)澆口一般設(shè)計(jì)在分型面上鑄件厚壁區(qū)域，有利于壓射壓力的傳遞，此正時(shí)鏈蓋的內(nèi)澆口可以布置在外邊緣的厚壁處。為防止內(nèi)澆口沖擊型芯，鑄件適合采用多股分支澆道分區(qū)域充填。

圖1 正時(shí)鏈蓋3D圖

圖2 鑄件分型面的確定

鑄件投影面積為980 cm2，澆注系統(tǒng)投影面積取鑄件投影面積的30%，總投影面積約1 274 cm2。由于鑄件屬于薄壁密封件，壓射比壓選擇100 MPa，安全系數(shù)取1.2，經(jīng)計(jì)算選擇16 000 kN壓鑄機(jī)。

依據(jù)鑄件壁厚和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)澆口填充速度選擇50 m/s，填充時(shí)間選擇0.03 s，經(jīng)計(jì)算內(nèi)澆口的截面積為658 mm2。壓室直徑選擇?105 mm，經(jīng)計(jì)算壓射沖頭快壓射速度為3.8 m/s。

臥式冷室壓鑄機(jī)常用的澆注系統(tǒng)形式見圖3。橫向澆注系統(tǒng)澆注過(guò)程平穩(wěn)可控，適用于多數(shù)零件。縱向澆注系統(tǒng)適用于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜或特殊零件，尤其是圖3c和圖3d兩種結(jié)構(gòu)，因其澆道的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致內(nèi)澆口高度不一致，初始的鑄造工藝的調(diào)整過(guò)程復(fù)雜，因此在方案確定前需進(jìn)行數(shù)值模擬以確定其工藝的可行性。

正時(shí)鏈蓋因其結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)階段初選圖3a和圖3c兩種澆注系統(tǒng)方案，見圖4。橫向澆道從正時(shí)鏈蓋一側(cè)進(jìn)入，另外3側(cè)開集渣包和排氣道；縱向澆道布置是將零件不規(guī)則的“羊角”形向上，澆道從鑄件雙側(cè)進(jìn)行填充，填充末端上下兩側(cè)設(shè)置集渣包。利用AnyCasting軟件對(duì)其填充、排氣、凝固、溫度等過(guò)程進(jìn)行分析，確定最優(yōu)的工藝方案。

圖3 臥式壓鑄件常用澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.鑄件        2.澆道

圖4 含澆注系統(tǒng)正時(shí)鏈蓋結(jié)構(gòu)圖
1.澆道   2.鑄件   3.集渣包

使用AnyCasting軟件進(jìn)行模流分析前，需將原3D文件中的建模實(shí)體輸出STL格式導(dǎo)入模擬軟件中，然后進(jìn)行可變網(wǎng)格的劃分。劃分網(wǎng)格時(shí)， 確保X、Y、Z 3個(gè)方向上零件每一個(gè)截面至少有3層網(wǎng)格，包括內(nèi)澆口和溢流槽，劃分有足夠的網(wǎng)格才能保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。正時(shí)鏈蓋自動(dòng)劃分網(wǎng)格最小尺寸設(shè)定為1，最大尺寸比率設(shè)定為2；自動(dòng)過(guò)渡光滑因子為1.1，最大尺寸比率設(shè)置為3。橫向澆道共劃分網(wǎng)格567萬(wàn)個(gè)，縱向澆道劃分網(wǎng)格482萬(wàn)個(gè)。

正時(shí)鏈蓋材質(zhì)選擇ADC12合金，液相線溫度為595 ℃，固相線溫度為540 ℃，設(shè)置澆注溫度為645 ℃，凝固收縮體積變化為7.14%；與鋁合金接觸的壓鑄型按設(shè)計(jì)要求選用進(jìn)口熱作模具鋼W350。鑄件帶澆注系統(tǒng)總質(zhì)量為4.77 kg，料缸直徑為?10 5mm，長(zhǎng)度為780 mm，壓射沖頭一級(jí)壓射速度為0.15 m/s，二級(jí)快壓射速度為3.8 m/s。

正時(shí)鏈蓋按圖4a橫向單側(cè)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果見圖5。可以看出：①填充過(guò)程較平穩(wěn)，在填充時(shí)間為0.454 2 s開始進(jìn)行高速切換，0.497 2 s時(shí)充型結(jié)束，鑄件充型時(shí)間為0.043 0 s。由于中間區(qū)域B壁厚薄，并且有許多空洞阻礙鋁液填充，同時(shí)增壓壓力難以通過(guò)B區(qū)傳遞到壁厚較大的C區(qū)，會(huì)造成遠(yuǎn)離澆道的區(qū)域C產(chǎn)生冷隔、填充不良等鑄造缺陷。②對(duì)填充過(guò)程卷氣分析，鑄件型腔內(nèi)無(wú)明顯的紊流和卷氣，填充末端卷氣部位合理布置溢流和排氣槽，能夠輔助末端氣體的排出。③充型過(guò)程中內(nèi)澆口的速度不穩(wěn)定，見圖5c，中間部位內(nèi)澆口某定時(shí)瞬間速度大于80 m/s，會(huì)出現(xiàn)噴射流造成C區(qū)的填充不良，同時(shí)對(duì)模具沖刷嚴(yán)重，影響鑄件品質(zhì)和模具壽命。④凝固過(guò)程中由于鑄件壁厚不均，中間壁厚薄（壁厚為2 mm），B區(qū)最先凝固，C區(qū)壁厚較厚（局部壁厚為21.9 mm）且遠(yuǎn)離澆道，最后凝固，形成部分孤立液相區(qū)，會(huì)造成C區(qū)產(chǎn)生縮孔。

圖5 橫向單側(cè)填充數(shù)值模擬

根據(jù)對(duì)正時(shí)鏈蓋橫向澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬的分析，該澆注系統(tǒng)在填充和凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鑄造缺陷的風(fēng)險(xiǎn)很大，而且會(huì)降低模具使用壽命，此澆注系統(tǒng)不適合正時(shí)鏈蓋的壓鑄。

正時(shí)鏈蓋按圖4縱向雙側(cè)填充澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果見圖6。可以看出，①填充過(guò)程實(shí)現(xiàn)鑄件循序填充，在填充0.447 9 s開始進(jìn)行高速切換，0.477 6 s充型結(jié)束，鑄件充型時(shí)間為0.029 7 s，能夠?qū)崿F(xiàn)薄壁鑄件的快速填充；同時(shí)采用雙向填充，內(nèi)澆口從兩側(cè)面厚壁處進(jìn)入型腔，有利于壓射壓力的傳遞。②對(duì)填充過(guò)程卷氣分析，下側(cè)的分支澆道對(duì)應(yīng)鑄件內(nèi)部空腔，金屬液進(jìn)入型腔后沖擊型腔壁，造成局部的紊流和卷氣，見圖6d；填充末端上側(cè)卷氣部位合理布置溢流和排氣槽，能夠輔助末端氣體的排出；下側(cè)卷氣部位無(wú)法設(shè)置排氣道。③充型過(guò)程中內(nèi)澆口的速度較穩(wěn)定，瞬間速度小于60 m/s，適合于鋁合金薄壁件的填充。④凝固過(guò)程中間薄壁區(qū)先凝固，兩側(cè)厚壁區(qū)后凝固，在凝固過(guò)程中兩側(cè)厚壁處通過(guò)內(nèi)澆口增壓補(bǔ)縮，不存在孤立的液相區(qū)域，沒有產(chǎn)生縮孔的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 縱向雙側(cè)填充數(shù)值模擬

根據(jù)對(duì)正時(shí)鏈蓋縱向澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬的分析，該澆注系統(tǒng)適合此鑄件，但卷氣過(guò)程分析存在問題，填充過(guò)程型腔中間有渦流卷氣，同時(shí)下側(cè)卷氣部位也無(wú)法開設(shè)排氣道，鑄件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣孔缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響鑄件的密封性。進(jìn)一步對(duì)縱向雙側(cè)澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，見圖7。將下側(cè)金屬液匯流處的集渣包變更為分支澆道，加快該區(qū)域的充型速度，使整個(gè)充型過(guò)程更加平穩(wěn)、順暢。根據(jù)金屬液的流向和卷氣位置，在中心通孔處增加兩處集渣包，改善卷氣狀態(tài)。優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)呈“U”形狀態(tài)填充，數(shù)值模擬見圖7，可見充型過(guò)程平穩(wěn)、順序填充，排氣順暢；增加的兩處溢流槽在填充過(guò)程中起到了輔助排氣的作用。凝固分析不存在孤立的液相區(qū)域，沒有產(chǎn)生縮孔風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)溫度場(chǎng)分析，鑄件溫度場(chǎng)均衡，能夠大大降低鑄件溫度降低過(guò)程中產(chǎn)生縮孔和變形的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)以上模擬分析的結(jié)果，縱向U形澆注系統(tǒng)方案適合該正時(shí)鏈蓋零件的壓鑄。

圖7 縱向U形填充數(shù)值模擬

圖8 正時(shí)鏈蓋零件

根據(jù)對(duì)正時(shí)鏈蓋縱向澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬分析的結(jié)果，采用縱向U形澆注系統(tǒng)進(jìn)行了新產(chǎn)品的模具開發(fā)和試制，使用16 000 kN壓鑄機(jī)，采用數(shù)值模擬優(yōu)化的壓鑄參數(shù)：鑄造壓力為100 MPa， 慢壓射速度為0.15 m/s，快壓射速度為3.8 m/s，鑄件外觀無(wú)明顯的流痕、冷隔等鑄造缺陷。清理后的正時(shí)鏈蓋零件如圖8所示，對(duì)其進(jìn)行X光探傷和密封測(cè)試，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良，OTS樣件一次通過(guò)。現(xiàn)已進(jìn)入大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率在96%以上，質(zhì)量高于同類產(chǎn)品。

《基于數(shù)值模擬的正時(shí)鏈蓋壓鑄工藝研究》
侯麗彬 姚金池 李晶
大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》雜志社