工藝參數(shù)對(duì)鑄件質(zhì)量影響的研究

阮曉芳，黃 偉，陸雪雯，莫志敏，牛思杰

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

進(jìn)氣管質(zhì)量的好壞直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。影響進(jìn)氣管質(zhì)量的因素很多，包括進(jìn)氣管的尺寸設(shè)計(jì)和澆注工藝的選擇等。其中，澆注工藝參數(shù)對(duì)進(jìn)氣管縮松縮孔的影響最大。充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)，提前對(duì)鑄件進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)，確保鑄件的質(zhì)量，降低研發(fā)成本，是目前鑄造業(yè)應(yīng)用最廣泛的方法。近年來，采用數(shù)值模擬的方法研究鑄件質(zhì)量的文獻(xiàn)很多，針對(duì)單個(gè)工藝參數(shù)對(duì)鑄件質(zhì)量的研究也不少，同時(shí)對(duì)多個(gè)澆注工藝參數(shù)進(jìn)行研究的很少，且研究不夠全面[1-2]。本課題將重點(diǎn)研究澆注流量、澆注溫度和模具預(yù)熱溫度對(duì)某款鋁合金進(jìn)氣管縮松縮孔的影響，為進(jìn)氣管的實(shí)際生產(chǎn)工藝提供參考。

1 進(jìn)氣管有限元模型及工藝方案

進(jìn)氣管零件的基本輪廓尺寸為523 mm×155 mm×130 mm，零件空腔較多且最薄壁厚達(dá)4 mm，屬于薄壁類鑄件，采用金屬型重力鑄造。根據(jù)實(shí)際澆注系統(tǒng)模型建立有限元模型，整個(gè)模型包括澆注系統(tǒng)、冒口、砂芯等。零件含有凸臺(tái)和過釘柱等厚大部分，在選擇澆注工藝時(shí)應(yīng)考慮縮松縮孔和澆不足等缺陷的產(chǎn)生。零件的三維模型和模具裝配圖如圖1和圖2所示。

圖1 零件三維模型

圖2 模具裝配模型

2 正交試驗(yàn)

2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)則是采取部分試驗(yàn)來代替全面試驗(yàn)的方法，選取有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)來進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)正交試驗(yàn)規(guī)則，以零件縮松縮孔的體積為試驗(yàn)指標(biāo)，選取影響試驗(yàn)指標(biāo)的因素為因子，每個(gè)因子選取若干種水平[3-4]。鑄件在充型和凝固過程受諸多因素影響，其中包括澆注流量、澆注溫度和模具預(yù)熱溫度等主要因素，選取這三種因素作為本次試驗(yàn)的影響因子。為了減少試驗(yàn)次數(shù)并合理安排將試驗(yàn)因素各水平的平均分布，每種因子選取三種水平。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇A澆注溫度700℃、730℃、760℃，B模具預(yù)熱溫度300℃、330℃、360℃，C澆注流量0.4 kg/s、0.5 kg/s、0.6 kg/s.本次試驗(yàn)選取了3個(gè)因素，每個(gè)因素有3個(gè)水平，選用進(jìn)行9組試驗(yàn)的正交表，具體組合水平如表1所示。

表1 正交表

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果分析

在Visual-Cast中按照以上正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)依次對(duì)以上9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，并比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要參考以下幾點(diǎn)：

（1）金屬液的流動(dòng)充填是否順暢，是否存在斷流現(xiàn)象；

（2）鑄件凝固時(shí)溫度場(chǎng)的分布情況；

（3）鑄件縮孔、縮松的體積大小及其位置分布情況；

在仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，大部分的縮松縮孔都能按照設(shè)計(jì)出現(xiàn)在冒口處，只有小部分出現(xiàn)在鑄件的凸臺(tái)處。在第⑦組試驗(yàn)中，鑄件內(nèi)的縮松縮孔體積最大，其中，造成缺陷最大的原因是鑄型的預(yù)熱溫度偏低且澆注流量大，縮松縮孔云圖如圖3所示。在第⑧組試驗(yàn)中，縮松縮孔全部分布在冒口中，鑄件內(nèi)出現(xiàn)縮松縮孔的概率低于30%，縮松縮孔云圖如圖4所示，該組試驗(yàn)結(jié)果是9組試驗(yàn)中較優(yōu)的模擬結(jié)果。見表2.

圖3 第⑦組試驗(yàn)縮松縮孔大于30%云圖

圖4 第⑧組試驗(yàn)縮松縮孔大于30%云圖

表2 縮松縮孔體積表

記錄各組仿真試驗(yàn)中鑄件內(nèi)的縮松縮孔體積大小的數(shù)據(jù)，如表2所示。由表可知，因素C澆注流量對(duì)鑄件的縮松縮孔體積影響最大，金屬液的澆注流量越大，金屬液充型越快，充型時(shí)間越短，鑄件的補(bǔ)縮能力越差，越容易產(chǎn)生孤立液相區(qū)，鑄件產(chǎn)生的縮松縮孔體積就越大。其次是因素A金屬液澆注溫度，對(duì)鑄件縮松縮孔影響最小的是因素B鑄型的預(yù)熱溫度。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

由上述的正交試驗(yàn)中得到的一組較優(yōu)工藝參數(shù)組合金屬液澆注溫度760℃、鑄型預(yù)熱溫度330℃、金屬液澆注流量0.4 kg/s，并將其運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。圖5為經(jīng)過相關(guān)加工和噴漆等工序的進(jìn)氣管零件，零件的致密性較好無明顯氣孔產(chǎn)生。通過解剖鑄件壁厚部分查看是否存在縮松縮孔缺陷。如圖6所示，對(duì)零件的兩個(gè)凸臺(tái)進(jìn)行解剖，零件內(nèi)部致密性良好，與仿真結(jié)果一致，生產(chǎn)線可依據(jù)獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

圖5 進(jìn)氣管零件

圖6 零件解剖

4 結(jié)束語

基于仿真分析和正交試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管金屬型鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于金屬液澆注溫度和鑄型的預(yù)熱溫度，澆注流量對(duì)鑄件的縮松縮孔體積影響最大，并通過正交試驗(yàn)得到一組較優(yōu)的工藝參數(shù)組合，對(duì)比實(shí)際生產(chǎn)與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]仇春荔，陶 盼，廖恒成，等.澆注速度對(duì)鑄件充型過程流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬[J].鑄造，2007（11）：1190-1194.

[2]閆 蓋，鄭燕萍，張文彥，等.基于正交試驗(yàn)的板料沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J].熱加工工藝，2013（17）：94-97.

[3]董 麗，同 超，周淑芳，等.基于正交試驗(yàn)的汽車引擎蓋外板成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2016，41（11）：62-65.

[4]Cong Da Lu，Yi Lian Zhang，Shao Fei Jiang.Optimization of Molding Process Parameters for the CPU Fan Based on Or thogonal Experiment[J].Hangzhou：Conference on Digital Design and Manufacturing，2010（10）：7-11.