發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄造過程三維仿真模擬

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄造過程三維仿真模擬

發(fā)動(dòng)機(jī)主體的毛質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量。為了提高鑄造質(zhì)量和產(chǎn)量，提高制造效率，有效降低生產(chǎn)成本，有必要基于注射系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，采用頂注或底注式的澆注系統(tǒng)，配合冷鐵、冒口的使用降低鑄造缺陷。但對(duì)鑄件進(jìn)行解剖分析時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)縮孔、卷氣、澆不足、缺肉等鑄造缺陷。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)及專業(yè)的鑄造模擬軟件已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，通過仿真模擬的方法進(jìn)行鑄造全過程分析，為縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的支持1表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜圖1為L12缸體的三維圖?？梢钥闯?，該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體毛坯的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其表面是由很多比較復(fù)雜的曲面和凸臺(tái)構(gòu)成，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜。在三維造型軟件里完成L12缸體工藝中包括冒口在內(nèi)的鑄件和澆注系統(tǒng)的三維造型設(shè)計(jì)，鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口等需在軟件里完成裝配，裝配好的部件在導(dǎo)出的時(shí)候應(yīng)分別以STL格式導(dǎo)出。2鑄造模擬網(wǎng)格劃分圖2為實(shí)體屬性及模具設(shè)置過程。鑄件、砂型、型芯、冷鐵和冒口等多個(gè)部分已在AnyCasting中進(jìn)行定義，鑄件采用合金鑄鐵，砂型、型芯材料為樹脂砂，冷鐵材料為灰鑄鐵，冒口材料為合金鑄鐵。鑄件與鑄件的傳熱系數(shù)設(shè)置為50，鑄件與砂型、型芯的傳熱系數(shù)設(shè)置為500，鑄件和型芯的冷卻方式為空冷。冒口有型腔和溢流槽兩種用途，起補(bǔ)縮和溢流作用。在AnyCasting中還需要設(shè)置砂型類型，箱體設(shè)置為砂型，進(jìn)一步定義鑄件距離箱體各壁面之間的距離、砂型的厚度和澆注平面，確保澆口杯的上表面與澆注平面保持平齊。鑄造模擬軟件中網(wǎng)格劃分是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，會(huì)對(duì)最終的模擬計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生最直接的影響模擬L12發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的充型、凝固過程并進(jìn)行預(yù)測(cè)。這些設(shè)置不僅對(duì)計(jì)算結(jié)果正確與否起著確定性的作用，而且有利于預(yù)測(cè)縮孔縮松產(chǎn)生的位置和大小。結(jié)合鑄造工藝手冊(cè)，采用先封閉后開放式澆注系統(tǒng)，澆道比為ΣS3u2004模擬與分析3.1原方案的數(shù)值結(jié)果分析形狀復(fù)雜的L12發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，存在壁厚不均、加工面多等特點(diǎn)，這就要求金屬液充型時(shí)須快速、均勻、平穩(wěn)、不卷入雜質(zhì)，減少鑄造缺陷，進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮金屬液的流動(dòng)，而帶反直澆道的階梯式澆注系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)此類要求。圖3為原方案澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖3所示，金屬液流經(jīng)直澆道后進(jìn)入反直澆道中，橫澆道一低于橫澆道二，內(nèi)澆道流量由上至下逐層減少，鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固和補(bǔ)縮。圖4為原方案充型過程溫度場(chǎng)分布。可以看出，充型過程整體較為平穩(wěn)，以層流為主，但局部出現(xiàn)紊流現(xiàn)象。從上到下的變化是從澆注溫度1395℃到固液相線溫度1147℃。圖中1、2、3、4標(biāo)號(hào)表示的澆注時(shí)間分別是5s、10s、15s和30s，從圖中可以看出鑄件在30.076s充型結(jié)束，充型結(jié)束時(shí)鑄件各區(qū)域的溫度均在液相線以上，無低于1147℃的區(qū)域或點(diǎn)出現(xiàn)，即表明發(fā)生冷隔的概率較小，基本不會(huì)出現(xiàn)冷隔缺陷。圖5為原方案充型過程卷氣順序。圖中標(biāo)號(hào)為1、2、3、4的圖片分別表示充型時(shí)間在5s、10s、15s和20s時(shí)的鑄件卷氣情況?？梢钥闯?，卷氣現(xiàn)象較為明顯，在5s、10s、15s時(shí)均出現(xiàn)卷氣現(xiàn)象。大約在第5s底部出現(xiàn)孤立點(diǎn)，表示此位置可能會(huì)因?yàn)榻饘僖旱牟粩喑湫秃透靼l(fā)氣單元?dú)怏w的不斷排出，金屬液將氣體卷攜到此位置，隨著金屬液的不斷上升，對(duì)比5s、10s和15s時(shí)可以看出獨(dú)立點(diǎn)的位置隨時(shí)間而上移，即金屬液卷入的氣體隨金屬液不斷充型而逐漸向上轉(zhuǎn)移，在20s時(shí)孤立點(diǎn)消失，即卷入的氣體在金屬液中的上升速度高過金屬液的充型速度，且從此刻開始高溫金屬液將漫過所有發(fā)氣單元，澆注過程中各發(fā)氣單元產(chǎn)生的氣體和自澆口杯隨金屬液卷攜進(jìn)入型腔的外部氣體極易向鑄件上表面聚集，如果此澆注系統(tǒng)排氣不暢，表面產(chǎn)生氣孔缺陷的可能性較大。圖6為原方案鑄件凝固過程。圖中溫度帶從上到下表示從澆注溫度到該合金的液相線溫度，圖中標(biāo)號(hào)為1、2、3、4的圖片分別為澆注完成時(shí)和澆注完成后246s、1833s、2040s時(shí)鑄件的凝固率分別為0.04%、40.93%、96.17%和97.05%?？梢钥闯觯簼沧⑼瓿蓵r(shí)，鑄件各區(qū)溫度變化較大，中間溫度低，兩側(cè)溫度高，整體溫度分布很不均勻，由鑄造理論可知，此種溫度分布的鑄件易產(chǎn)生鑄造缺陷。凝固到40.93%時(shí)，澆注系統(tǒng)與鑄件之間的連接已經(jīng)斷開，此時(shí)盡管澆注系統(tǒng)整體溫度較高，但澆注系統(tǒng)已不再給鑄件提供補(bǔ)縮液體，鑄件在此之后的凝固過程因再也沒有液體補(bǔ)充而極易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。4號(hào)圖顯示當(dāng)鑄件的97%左右的區(qū)域已經(jīng)凝固時(shí)，在缸桶還有兩個(gè)較大區(qū)域仍是液態(tài)，此位置極易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。圖7為原方案的加工后缺陷位置?？梢钥闯觯涸贚12缸體的上箱面各裝配圓臺(tái)和缸桶內(nèi)壁均出現(xiàn)了氣孔缺陷，且氣孔位置較為集中。上箱面各裝配圓臺(tái)的氣孔是由于中間區(qū)域溫度較低而鑄型內(nèi)部各發(fā)氣單元和澆注過程中卷入的氣體上浮至該位置時(shí)鑄件外表面已經(jīng)冷卻，即證明原方案澆注系統(tǒng)的排氣不暢導(dǎo)致氣體無法溢出所形成的，缸桶內(nèi)壁的氣孔是充型過程中鐵液紊流所引起的鐵液飛濺后形成溫度較低的鐵豆所引起的。缺陷出現(xiàn)的位置與模擬過程中所顯示的紊流出現(xiàn)的位置基本相符。3.2優(yōu)化方案及其模擬結(jié)果分析通過對(duì)原方案澆注系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，各澆道面積與理論數(shù)據(jù)有極小的差別，內(nèi)澆道的比例偏大，而且?guī)Х粗睗驳涝黾映湫蜁r(shí)的鐵液量和保持合適的充型時(shí)間，因此經(jīng)再次優(yōu)化改進(jìn)后，設(shè)計(jì)出帶緩沖直澆道、延長橫澆道和增加豎澆道的澆注系統(tǒng)，得到了L12缸體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第二方案（以下簡(jiǎn)稱優(yōu)化方案），如圖8所示。圖9為優(yōu)化方案充型過程溫度場(chǎng)分布。圖中可以看出充型過程中為層流，圖中溫度帶表示澆注溫度1395℃至固相線溫度1147℃。從圖中可以看出，大約在7.4s、9.9s、14.8s和24.6s時(shí)，即充型過程中和充型過程結(jié)束后型腔內(nèi)溫度均在液相線以上。由模擬結(jié)果知，此方案在24.6s即充型結(jié)束，而且澆注完成后鑄件各區(qū)域溫度分布相對(duì)較好，與之前方案相對(duì)比可知，中間溫度較低區(qū)域的溫度有了明顯提升，而且此方案冷隔缺陷發(fā)生概率較之前方案更低。圖10為優(yōu)化方案充型過程卷氣順序?？梢钥闯鼍須膺^程整體較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的卷氣現(xiàn)象。結(jié)合結(jié)果分析，僅在第5s時(shí)底部有孤立點(diǎn)，底部出現(xiàn)的孤立點(diǎn)表示此位置可能會(huì)有氣體浮現(xiàn)，但很快消失，未出現(xiàn)長時(shí)間大面積的卷氣現(xiàn)象。在10s、15s和20s時(shí)間點(diǎn)的圖片中，孤立點(diǎn)均未出現(xiàn)。與之前方案對(duì)比可知，此工藝可消除卷氣對(duì)鑄件帶來的氣孔等缺陷。圖11為優(yōu)化方案鑄件凝固過程。圖中溫度帶從上到下表示從澆注溫度到該合金的液相線溫度，圖中標(biāo)號(hào)為1、2、3、4的四幅圖片分別為澆注完成時(shí)24.6s和澆注完成后187s、1507s、1750s時(shí)鑄件的凝固率分別為0、36.01%、95.08%和96.08%。可以看出，澆注完成時(shí)，鑄件各區(qū)溫度差別與原方案相比較要小得多，增加了豎澆道和內(nèi)澆道的優(yōu)化方案的鑄件兩側(cè)高溫區(qū)及中間低溫區(qū)域均較原方案的面積有明顯減少，盡管整體溫度分布仍不是很均勻，但各區(qū)溫度分布均勻性比原方案有了明顯提高。由鑄造理論可知，此種溫度分布的鑄件中間表面區(qū)域的冷卻速度與其他各處冷卻速度相差不會(huì)很大，有利于型內(nèi)氣體及時(shí)溢出而大大降低鑄造缺陷的產(chǎn)生。凝固到36.01%時(shí)，澆注系統(tǒng)與鑄件之間的鏈接已經(jīng)斷開，此時(shí)盡管澆注系統(tǒng)整體溫度較高，澆注系統(tǒng)給鑄件提供補(bǔ)縮液體的能力基本消失，但鑄件內(nèi)部溫度仍然較高，保持液態(tài)充型狀態(tài)，鑄件在此之后的凝固過程即使沒有液體補(bǔ)充但內(nèi)部金屬液仍是流動(dòng)狀態(tài)，可以及時(shí)補(bǔ)充，產(chǎn)生縮孔縮松缺陷的概率就會(huì)大幅下降。當(dāng)鑄件96.08%左右的區(qū)域已經(jīng)凝固時(shí)，在缸桶還有一個(gè)區(qū)域仍是液態(tài)，此位置有出現(xiàn)縮孔縮松缺陷的可能性，但區(qū)域面積已較原方案有了明顯減小。圖1