發(fā)動機主軸承蓋鑄造工藝數(shù)值模擬與優(yōu)化

發(fā)動機主軸承蓋鑄造工藝數(shù)值模擬與優(yōu)化

主軸承是發(fā)動機的重要零件。它體積大，工作環(huán)境復(fù)雜，承受負(fù)荷大，對產(chǎn)品質(zhì)量要求高。發(fā)動機主軸承蓋一般采用砂型鑄造進行生產(chǎn)，對質(zhì)量和性能要求都非常高，鑄件表面不允許有砂眼、渣孔和氣孔等鑄造缺陷，鑄件內(nèi)部不允許有縮孔縮松和針孔等缺陷隨著流體傳熱及凝固理論的成熟和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，鑄造工藝數(shù)值模擬獲得了快速發(fā)展1鑄件結(jié)構(gòu)和性能要求某發(fā)動機主軸承蓋五件連體鑄件毛坯（圖1）所示，輪廓尺寸148mm×114mm×68mm，鑄件重量為5.4kg，平均壁厚為30mm，材質(zhì)為QT500-7球墨鑄鐵。根據(jù)毛坯零件圖設(shè)計鑄件三維造型如圖2所示，該連體鑄件加工為五個單體發(fā)動機主軸承蓋（圖3）。要求對鑄件進行X射線探傷檢測，加工面（圖3深灰面）不容許有任何縮松缺陷，非加工面（圖3淺灰面）內(nèi)部縮松等級滿足ASTME4462級。鑄件的化學(xué)成分和材料力學(xué)性能要求分別如表1所示。材料力學(xué)性能要求：抗拉強度≥450MPa、屈服強度≥310MPa、伸長率≥10%、布氏硬度160～221HB。2雕塑工藝設(shè)計2.1虐待設(shè)計冒口的設(shè)計采用模數(shù)法，鑄件模數(shù)計算公式為M2.2冒口補縮過程根據(jù)企業(yè)造型線實際，澆注系統(tǒng)采用“一模四件”方案，為了補縮效果更好從而保證鑄件質(zhì)量，冒口補縮采用雙側(cè)補縮，四個鑄件共由六個冒口進行補縮。阻流截面積計算公式為式中G其中S阻流面積為該阻流面積是四個鑄件阻流面積的總和，生產(chǎn)設(shè)計773mm3初始凝固順序從鑄造初始方案充型溫度場分析來看充型溫度損失少，充型結(jié)束時金屬液溫度仍然達到1380℃以上，使金屬液保持了良好的流動性。為便于觀察充型過程中鐵水流動情況，選擇一個位于鑄件中間的剖面觀察充型順序，t=1.38s金屬液開始填充鑄件底部，整個充型時間3.46s，鐵水在鑄件型腔中平穩(wěn)上升，無沖砂、卷氣等發(fā)生。水平線初始方案凝固順序及溫度場如圖5所示，灰色部分為已凝固區(qū)域。顯然鑄件熱節(jié)位于中心位置，鑄件呈現(xiàn)由四周向中心凝固的順序。但在凝固后期，鑄件中心部位出現(xiàn)孤立的熔池區(qū)，球鐵凝固過程中既有液態(tài)收縮，也有共晶石墨化析出時的膨脹，但其膨脹量不可能完全補償收縮量4常用均衡凝固理論，以及縮松穩(wěn)定性差實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，對球磨鑄鐵的汽車零配件中的安全件，受實際生產(chǎn)制程波動的影響，應(yīng)用均衡凝固理論，縮松穩(wěn)定性差。汽車安全件要求實現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品零縮松，不合格件將直接導(dǎo)致召回，故本次工藝優(yōu)化仍以實現(xiàn)順序凝固為主要設(shè)計優(yōu)化思路，在實現(xiàn)順序凝固的基礎(chǔ)上再考慮通過調(diào)整冒口數(shù)量與布局提高工藝出品率。4.1鑄造工藝優(yōu)化后凝固順序初始鑄造方案數(shù)值模擬結(jié)果顯示存在孤立熔池區(qū)，會有顯著的鑄造缺陷，其本質(zhì)原因在于鑄件熱節(jié)，為此配置冷鐵進行工藝優(yōu)化，起到改變鑄件熱節(jié)的作用。經(jīng)反復(fù)試驗計算，配置長度為55mm冷鐵，位置為鑄件中心位置，冷鐵弧面部分與鑄造模具部分相同，具體如圖7中1、2、3、4處所示。圖8是經(jīng)冷鐵工藝優(yōu)化后的凝固順序圖。澆道先于冒口凝固，防止冒口中金屬液回流，有利于冒口補縮。由于冷鐵的激冷作用，鑄件熱節(jié)發(fā)生了明顯的改變，鑄件中心部位最先凝固，然后由中心向兩側(cè)冒口處凝固，最后凝固部位在冒口處，整個凝固過程得到了雙側(cè)冒口的良好補縮?；跉堄嗳垠w模數(shù)的概率缺陷參數(shù)分析如圖9所示，缺陷部位均位于澆道和冒口中，鑄件本體沒有缺陷，因此經(jīng)過冷鐵工藝優(yōu)化后，本工藝方案可以得到致密性合格的產(chǎn)品。4.2殘余熔體模數(shù)模擬結(jié)果二次優(yōu)化后的凝固順序動畫顯示，鑄件呈現(xiàn)從遠離冒口的一側(cè)向靠近冒口一側(cè)的凝固順序，圖11是選取某個剖面的觀察的凝固順序圖，與之前對熱節(jié)的預(yù)測是一致的，鑄件最終凝固在冒口中，整個凝固過程冒口實現(xiàn)了良好補縮，實現(xiàn)了順序凝固，保證了鑄件內(nèi)部無縮孔縮松缺陷?；跉堄嗳垠w模數(shù)的概率缺陷參數(shù)分析如圖12所示，缺陷部位均位于澆道和冒口中，鑄件本體沒有缺陷，與凝固順序分析結(jié)論一致。將六冒口雙側(cè)補縮優(yōu)化為兩冒口單側(cè)補縮，只要合理布局冷鐵位置，數(shù)值模擬結(jié)果顯示同樣能夠保證鑄件致密無缺陷。但冒口數(shù)量的減少，出品率有明顯提升，表2給出了兩種方案的具體工藝出品率，二次優(yōu)化將工藝出品率提高了20.12%。5鑄造工藝驗證結(jié)果對六冒口雙側(cè)補縮方案（方案二）和兩冒口單側(cè)補縮方案（方案三）均進行了樣品試制。檢測結(jié)果表明鑄件內(nèi)部組織致密，無縮孔、縮松和超標(biāo)缺陷顯示，鑄件質(zhì)量均符合要求，試制結(jié)果與鑄造工藝數(shù)值模擬結(jié)果是一致的。根據(jù)試制結(jié)果，選擇更高工藝出品率的方案三作為量產(chǎn)生產(chǎn)工藝方案。6冷鐵工藝設(shè)計結(jié)果的量的優(yōu)化(1）使用Anycasting鑄造模擬軟件分析了發(fā)動機主軸承蓋連體鑄件砂型鑄造原始方案的充型與凝固過程，并預(yù)測了鑄件中出現(xiàn)縮松縮孔的位置。(2）通過冷鐵工藝優(yōu)化，在鑄造模擬中實現(xiàn)了鑄件的順序凝固，消除了縮松縮孔等鑄造缺陷。(3）通過對冒口布局與數(shù)量的優(yōu)化，實現(xiàn)既能保證鑄件致密性要求，同時將工藝出品率提高了20.12%。生產(chǎn)試制并對試制件進行X射線檢測證明數(shù)值模擬結(jié)果可靠，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果選擇的量產(chǎn)方案可行。經(jīng)過冷鐵工藝優(yōu)化后，以上六冒口雙側(cè)補縮方案雖然補縮效果好，能保證產(chǎn)品致密性質(zhì)量要求，但出品率相對較低。為此，在保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下進一步優(yōu)化以提高出品率。優(yōu)化方法是減少冒口，將六冒口雙側(cè)補縮改為兩冒口單側(cè)補縮。單側(cè)補縮時，一個冒口向兩邊兩個鑄件同時進行補縮，希望的凝固順序顯然是由鑄件遠離冒口的一側(cè)向靠近冒口的一側(cè)凝固。與前一方案由于雙側(cè)冒口