基于FLOW-3D的五羊發動機外殼件鑄造成形過程模擬

■劉祥

鋁合金在汽車、摩托車行業中的應用越來越廣泛，在發動機部件上的使用尤其突出。鋁合金因為質輕、散熱好及良好的外觀特點，逐漸代替鋼質材料，目前在世界范圍內廣泛使用。鋁合金鑄造已成為鋁合金發動機外殼零件生產的主要工藝方法。國內的鋁合金零件制造企業多數采用鑄造工藝生產，所以研究鋁合金壓力鑄造過程產生的缺陷具有實際意義。

現在企業采用鑄造工藝大批量生產汽車、摩托車零件，在生產過程中發現有些鑄件出現氣孔、夾渣、裂紋甚至充型不完整等情況。為了充分分析各種缺陷產生的原因，以及對模具型腔進行合理的改進，采用軟件仿真預測相關鑄造缺陷是十分必要的。

1. 結構造型設計

在Pro/E中繪制五羊摩托車發動機外殼件模型（見圖1），繪制完成后分析鑄件的結構特點。發動機上的軸孔、螺紋孔及其他特殊形狀都是在鑄件上二次加工的，需繪制留有足夠余量的鑄件模型（見圖2），同時增加澆道。

2. 生成模具型腔

在Pro/E中生成鑄件的模具型腔（見圖3），確定上模和下模的整體尺寸，不需要設置分型面，也不需開模。生成整體模具，將模具模型保存為stl格式。

3. 模具模型導入FLOW-3D

建立分析目錄后，使用FLOW-3D的導入stl文件功能將模具模型導入，經過尺寸換算，將模型按1/10的比例導入FLOW-3D中。在創建結構體網格過程中，網格數量受制于結構體復雜程度的影響，網格數量少時，結構體模擬不完整；網格數量太多時，計算時間過長。圖4為創建了60萬網格數量時的液態填充效果。

4. 充型初始條件設置

充型前需要設置的初始條件如下：

（1）充型運算結束方式 通常采用充滿即結束，也可使用時間設定。

（2）分析單元 選擇CGS單元，溫度單位選擇熱力學溫度或攝氏溫度，使用熱力學溫度時要進行換算(0℃＝-273K)。

（3）加載液態填充材料和模具材料 液態材料為鑄鋁ZL101A（ZAlSi7MgA），相當于美國牌號Al356，模具材料為熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，相當于美國牌號H13。鋁合金固相線溫度558℃，液相線溫度603℃，鋁液澆注溫度為（700±10）℃。

材料的物理性能和力學性能見表1～表3。

（4）設置充型口速度和液態材料溫度 充型口液態材料初始速度可以設置為2m/s，充型太慢時先進入的材料會快速冷卻，難以完成整個型腔充填；也可以采用恒壓充型。液態材料初始溫度采用溫度為973K。

（5）設置模具材料整體溫度和外表面溫度 鋁合金凝固溫度558℃，為了防止結構件缺陷，可設置模具整體加熱到300～500℃，此處設置為400℃（包括腔體內表面），即輸入673K。模具6個外表面溫度可設置為573K。

（6）設置模具腔體內溫度和壓力 模具腔體內溫度按照模具整體加熱溫度設置，腔體內空氣壓力可設置為接近一個標準大氣壓。

5. 物理參數設置

需設置的物理參數如下：

（1）夾帶空氣系數 輸入液態鋁合金中的空氣含量參數為0.0012，即液態鋁空氣含量為0.12%。

圖1 外殼件模型

圖2 鑄件模型

圖3 Pro/E中生成模具

圖4 60萬網格數量的液態填充

表1 鑄鋁材料的物理參數

表2 模具材料的物理參數

表3 鑄鋁材料的力學性能

（2）氣泡和相變設置 可選擇恒壓不相變（消失）氣泡、恒壓相變（消失）氣泡、絕熱氣泡、普通熱氣泡和相變（消失）熱氣泡等。

（3）缺陷檢查設置 可設置缺陷產生率、泡沫渣產生率等。如果想要預測缺陷，可將缺陷產生率設置大些，如果使用消失模鑄造，應設置泡沫渣產生率。

（4）重力方向設置 根據模具的擺放方式設置，可設置澆道的方向為重力方向，輸入參數為980。

（5）設置溫度傳遞 使用一階溫度傳遞方式，選擇全能量傳遞選項，即模具和流體的溫度會自由傳遞。

（6）紊流狀態設置 由于鑄造速度過快，不選擇層流模式，選擇紊流模式。

6. 輸出參數設置

需設置的輸出參數如下：

（1）充型條件 選擇充滿整個型腔。

（2）輸出數據量 輸入參數0.05，即輸出20個階段性數據。

（3）輸出結果類型 可選擇充型狀態、充型溫度、動態流速、熱傳導率、應力、能量等，也可全選。

7. 計算并輸出結果

選擇帶模具型腔顯示的流體流動狀態，結果如圖5所示。

通過設置，查看鑄件不同部位的溫度變化，發現充口和遠端溫度差超過200℃，可通過改變模具整體加熱溫度高低來減緩充口和最遠端的溫度差。查看不同部位的應力大小，發現最大應力發生在充口端，應力值約340kPa，小于表3中同溫度下的材料力學性能值，充型后不會發生開裂現象。

選擇帶模具型腔顯示的流體內空氣夾帶情況，結果如圖6、圖7所示。

從圖6可看出，外殼件最遠端的上部空氣夾帶現象嚴重，是極易出現縮孔、縮松現象的區域，解決方法是在此處設置相應的冒口，鑄造后將冒口切除。從圖7發現，外殼件最遠端的上部也極易出現表面缺陷，解決方法同樣是設置冒口，可以用同一種方法解決兩種缺陷問題。

圖5 液體充型過程顯示

8. 分析與結論

（1）采用Pro/E設計模具的型腔，可快速進行零件的建模和模具型腔的生成。

（2）使用FLOW-3D軟件做鑄造仿真，可在鑄造模具設計之初對結構體充型過程進行完整而詳細的充填分析，從而發現充填過程中的各種潛在缺陷，同時可以在工程技術人員設置相應的模具溫度、金屬液加熱溫度、充填速度、冒口設置等方面給予足夠的參考和提示，方便模具設計過程中達到盡量不改模具和少改模具的特點。

圖6 液體空氣夾帶情況顯示

圖7 液體充型后表面缺陷顯示

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