發(fā)動機(jī)鋁合金缸蓋低壓鑄造的數(shù)值模擬

魏 劍，吳 龍，胡 州

(1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，三明 365004；3.綠色鑄鍛及高端部件協(xié)同創(chuàng)新中心，三明 365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，三明 365004；5.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212000)

2017 年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中的車身輕量化技術(shù)路線提出大力推進(jìn)輕金屬材料在汽車上的應(yīng)用，預(yù)計2030年單車用鋁量達(dá)到350 kg[1].低壓鑄造的澆注系統(tǒng)比較簡單，具有90%以上的成品率[2-3]，是汽車零件熱成形工藝之一.由于汽車發(fā)動機(jī)零件鑄鋁合金具有更高的高溫疲勞強(qiáng)度、熱機(jī)械疲勞性能、抗疲勞微裂紋能力與更長的使用期限等優(yōu)點，精密成形鑄件在市場上的比重進(jìn)一步增大[4-5]，汽車零部件朝著輕量化、精確化、強(qiáng)韌化方向發(fā)展.鋁合金缸蓋是典型的薄壁、復(fù)雜鑄件，并在力學(xué)性能以及滲漏方面有特別的要求，它的開發(fā)成功與否直接決定著發(fā)動機(jī)性能的好壞.本文通過對鋁合金發(fā)動機(jī)缸蓋低壓鑄造過程的數(shù)值模擬仿真，來預(yù)測因鑄造工藝不合理而引起的鑄造缺陷，為工藝系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論指導(dǎo).

1 鋁合金缸蓋模擬過程

圖1 發(fā)動機(jī)缸蓋模型

1.1 模型建立

發(fā)動機(jī)是汽車的“心臟”，發(fā)動機(jī)質(zhì)量無疑是決定汽車性能好壞的重要指標(biāo).而發(fā)動機(jī)缸蓋是發(fā)動機(jī)上最重要的部件之一，其上部接發(fā)動機(jī)凸輪軸，下部與發(fā)動機(jī)缸體相連.發(fā)動機(jī)缸蓋在發(fā)動機(jī)工作中需要承受來自發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的壓力和高溫，工作環(huán)境惡劣.發(fā)動機(jī)缸蓋是大型薄壁復(fù)雜零件，尺寸精度與力學(xué)性能的要求均比較高，因此發(fā)動機(jī)缸蓋的鑄造工藝難度較大.本文選擇研究的發(fā)動機(jī)缸蓋長、寬、高尺寸分別為243，240，113 mm，鑄件質(zhì)量4.464 kg，三維模型如圖1所示，材料為鑄造鋁合金AC4B，其性能參數(shù)見表1.

表1 AC4B材料性能參數(shù)

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

圖2 澆注系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)缸蓋屬于大型復(fù)雜鑄件，澆注系統(tǒng)的合理設(shè)計與否會影響缸蓋進(jìn)、排氣面的氣(渣)孔，為降低鑄件廢品率，應(yīng)解決澆注過程中鋁液充入型腔的速度過快，湍流嚴(yán)重，帶入的氣體多，生成的氧化渣多的問題.該鑄件澆注系統(tǒng)由澆杯(未畫出)、升液管、澆道、缸蓋鋁鑄件型腔組成(圖2).在低壓鑄造過程中，為實現(xiàn)平穩(wěn)充型，防止金屬液在充型過程中引起紊流，需控制內(nèi)澆口出口線速度ν≤15 cm/s.鋁合金鑄件澆注系統(tǒng)內(nèi)澆口總橫截面積按式(1)計算：

Ag=Gc/(ρνt)

(1)

式中：Ag為內(nèi)澆口總橫截面積，cm2；Gc為鑄件質(zhì)量，g；ρ為合金液密度，g/cm3；ν為內(nèi)澆口出口線速度，cm/s；t為充型時間，s.

本文所選用材料為AC4B，鑄件質(zhì)量4464 g，密度為2.77 g/cm3，按能穩(wěn)定充型的最大速度校核，取內(nèi)澆口出口線速度15 cm/s.充型時間按金屬液在鑄型中的上升時間計算：

t=h/ν升

(2)

式中：h為型腔高度，本文所研究鑄型高度為113 mm；ν升為金屬液在型腔中的上升速度，一般而言ν升=1～8 cm/s，本文中取1.6 cm/s.

求得內(nèi)澆口總橫截面積：

取內(nèi)澆口總截面積為16 cm2.該澆注系統(tǒng)包括4個內(nèi)澆口，每個內(nèi)澆口的面積按照鋁液將要填充鑄件的體積進(jìn)行合理的分配，靠近圖2右側(cè)的內(nèi)澆口截面積稍大些.

1.3 壓力與速度關(guān)系

低壓鑄造過程中，增大密閉坩堝容器中的壓力，使得金屬液沿升液管經(jīng)內(nèi)澆口進(jìn)入型腔中.升液速度與壓力之間的關(guān)系推導(dǎo)如下[6]，連續(xù)方程如式(3)，斷面處伯努利方程如式(4)：

π(R2-r2)ν2=πr2ν1

(3)

式中：R為坩堝截面半徑；r為升液管截面半徑.

(4)

式中：ν1為升液管中的液面上升速度，m/s；ν2為坩堝內(nèi)液面下降速度，m/s；Z1為t秒后升液管中的液面高度，m；Z2為t秒后坩堝內(nèi)液面高度，m；hg為壓頭的阻力損失，m；P1為升液管內(nèi)壓力值，Pa；P2為坩堝內(nèi)壓力值，Pa.

將Z1=H-Δ；Z2=-Δ；P1=P0；P2=P0+ΔP代入式(4)得

式中：Δ為坩堝內(nèi)液面下降高度，m；H為升液管液面初始高度，m；P0為大氣壓力，Pa；ΔP為坩堝內(nèi)液面與升液管液面壓力差，Pa.

那么充型t秒時兩液面相對速度ν：

ν=ν1+ν2

(5)

(6)

(7)

對上式時間t進(jìn)行求導(dǎo)，即

(8)

(9)

若ν1為常值，則壓力應(yīng)呈一次函數(shù)直線變化，即k=ρg(1+A).可由上述推導(dǎo)將數(shù)值模擬過程中的壓力曲線轉(zhuǎn)化為速度曲線，壓力變化和速度變化如表2、圖3所示.

1.4 數(shù)值模擬

利用三維軟件solidworks對發(fā)動機(jī)缸蓋及澆注系統(tǒng)進(jìn)行模型建立，并在AnyCasting的前處理模塊AnyPRE導(dǎo)入*.stl格式文件.在前處理模塊中利用變換中的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像對模型進(jìn)行裝配.設(shè)置實體和模具后劃分網(wǎng)格數(shù)量為1 015 746個.設(shè)置材料，初始條件設(shè)定，整個澆注系統(tǒng)初始溫度為25 ℃，模具初始溫度為390 ℃.澆注系統(tǒng)與空氣之間熱交換系數(shù)為41.84 W/(m2·K)，澆注系統(tǒng)與模具之間熱交換系數(shù)為1673.6 W/(m2·K).為實現(xiàn)充型質(zhì)量良好，應(yīng)保持充型溫度高于材料金屬液相線以上.結(jié)合實際生產(chǎn)工藝要求，設(shè)定充型溫度為700 ℃.激活收縮模型，凝固收縮體積變化依據(jù)材料庫默認(rèn)值7.14%.激活流體流動模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)CSF模型，表面張力值選定0.685 N/m.湍流模型設(shè)置為RNGk-ε湍流模式.設(shè)置充型過程、凝固過程計算求解方法.設(shè)定求解結(jié)束條件為凝固率100%，輸出條件為充型率、固相分?jǐn)?shù)、時間.

表2 缸蓋低壓鑄造過程壓力、速度與時間變化

圖3 速度曲線

2 模擬結(jié)果分析與優(yōu)化

2.1 充型過程

充型過程中，金屬液在氣體壓力下通過升液管自下而上經(jīng)內(nèi)澆口進(jìn)入型腔中，總充型時間為19.46 s.充型過程是復(fù)雜的流動場與溫度場耦合作用，因此對鑄件質(zhì)量起重要影響的關(guān)鍵因素為：金屬液的流動，金屬液與模具、空氣之間的熱交換.對于金屬液的流動，其澆口位置的設(shè)定、澆注溫度的大小、壓力曲線的變化均是影響流體流動效果的關(guān)鍵因素.澆注溫度控制在700 ℃，按等流量比例與黏性不穩(wěn)定流體流動阻力情況，計算4個內(nèi)澆口截面積與澆口位置.按壓力曲線轉(zhuǎn)化后的速度曲線進(jìn)行模擬分析.由圖4充型結(jié)果可知，此澆注工藝參數(shù)下可實現(xiàn)合金溶液的平穩(wěn)充型，充型過程的溫度場大致上也符合實際生產(chǎn)情況.

圖4 充型過程

2.2 凝固過程

鑄件凝固過程是高溫金屬液由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程.凝固結(jié)晶包括形核與晶核長大2個過程.影響鑄件組織形成的主要因素有：澆注溫度、鑄模冷卻能力、冷卻條件、金屬材料性能等.金屬凝固過程的缺陷主要包括：縮孔、縮松、氣孔及熱裂等.

在此過程中，高溫金屬液所含有的熱量必須通過各種途徑向模具或空氣、水、油等介質(zhì)傳遞，最終凝固形成鑄件.鋁合金發(fā)動機(jī)缸蓋屬于大型復(fù)雜薄壁鑄件，故采用順序凝固，如圖5所示.鑄件的順序凝固是通過控制鑄件溫差變化，實現(xiàn)鑄件遠(yuǎn)離冒口或澆口的部位先凝固，按距離冒口或澆口位置的遠(yuǎn)近逐次凝固，通過冒口或澆口實現(xiàn)補(bǔ)縮.

圖5 凝固過程

2.3 缺陷分析

為防止合金溶液在充型過程中發(fā)生紊流，對合金溶液流速做出了嚴(yán)格控制.合金溶液在低速充型過程中，有可能出現(xiàn)充型未到100%就有部分遠(yuǎn)離內(nèi)澆口區(qū)域發(fā)生局部冷卻的情況，嚴(yán)重的可能產(chǎn)生冷隔和澆不足現(xiàn)象.在這種缺陷下若直接調(diào)整充型速度將會引起充型過程中流體的紊流現(xiàn)象.因此對于冷隔和澆不足缺陷，應(yīng)通過提升澆注溫度和模具初始溫度來防止.在澆注溫度700 ℃及相應(yīng)較為合理的壓力曲線參數(shù)下，從圖6外壁、內(nèi)腔和斷面看出該鋁合金缸蓋凝固效果良好并未發(fā)生冷隔和澆不足缺陷.

圖6 凝固效果

殘余熔體模數(shù)是用以分析鑄件存在縮松缺陷的重要依據(jù)[7].殘余熔體模數(shù)的公式為

(10)

式中：RM為殘余熔體模數(shù)，m；RV為殘余熔體體積，m3；RA為殘余熔體表面積，m2.

當(dāng)RV越大時，則說明孤立熔池區(qū)就會越大，就越可能產(chǎn)生縮松缺陷.同樣，當(dāng)RA越小時，則說明熔體比較集中，也越可能形成孤立熔池，產(chǎn)生縮松缺陷.

圖7(a)箭頭所示的白色區(qū)域和圖7(b)箭頭所示的藍(lán)色區(qū)域是易產(chǎn)生較大的孤立熔池區(qū)，可能出現(xiàn)縮松缺陷；圖7(c)中箭頭所示位置在合金液的凝固過程中也易產(chǎn)生縮松缺陷.

圖7 殘余熔體模數(shù)

2.4 優(yōu)化處理及結(jié)果

影響充型過程的主要因素有：澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、升液速度和充型速度的大小、澆注溫度等.而影響凝固過程的主要因素有：冷卻條件、增加結(jié)晶壓力值等.在現(xiàn)有的澆注系統(tǒng)和澆注工藝參數(shù)下，充型過程合理，不過仍產(chǎn)生了縮松缺陷，故從2個方面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整：①為實現(xiàn)順序凝固，在某些遠(yuǎn)離澆口同時又冷卻緩慢的區(qū)域增加布置冷卻水管；②為實現(xiàn)合金溶液凝固過程中急速結(jié)晶增加壓力.具體實施如圖8中箭頭所示，這2處冷卻水管很好地解決了該處凝固熔體體積大且金屬型模具不透氣、無退熱性的問題[8-10].

優(yōu)化冷卻系統(tǒng)后重新進(jìn)行模擬，得到殘余熔體概率缺陷分布情況(圖9)，易發(fā)生孤立熔池區(qū)域明顯減少，除某些距離澆口位置較近區(qū)域外，其余部位均不會發(fā)生縮松缺陷.由于靠近澆口位置最后凝固，因此不可避免產(chǎn)生孤立熔池.

圖8 冷卻水管布置

圖9 殘余熔體概率缺陷分布

3 結(jié)論

1) 采用AnyCasting軟件的鑄造模擬技術(shù)可以用來研究低壓鑄造過程所涉及到的基本問題.通過模擬鑄造充型過程及凝固過程溫度場的分布，合理設(shè)置澆注系統(tǒng)，調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，能為實際制造生產(chǎn)過程提供有意義的指導(dǎo).

2) 當(dāng)澆注系統(tǒng)采用4個澆口，取金屬液上升速度1.6 cm/s，澆注溫度700 ℃時，可以實現(xiàn)AC4B鋁合金缸蓋的平穩(wěn)充型及順序凝固，不存在冷隔和澆不足缺陷，但仍有縮松缺陷.

3) 在遠(yuǎn)離澆口且冷卻緩慢的區(qū)域增加布置冷卻水管以及增壓后，除某些距離澆口位置較近區(qū)域外，其余部位均不會出現(xiàn)縮松缺陷.