關于低壓鑄造渦侖增壓器殼鑄造飛邊的形成及消除的研究
作者：鄭曉敏
近年來由于環(huán)境保護要求內(nèi)燃機改善經(jīng)濟性、凈化排氣，增壓機型已成為內(nèi)燃機的基本機型，并將保持強勁的發(fā)展勢頭。增壓器是增壓技術的關鍵部件，而增壓器的技術水平也決定了內(nèi)燃機的發(fā)展水平。
增壓器殼體鑄造過程中會產(chǎn)生飛邊，這對鑄件的尺寸精度和表面粗糙度有很大影響，成形后需要進行機加工，導致生產(chǎn)成本上升。因此，必須對飛邊的產(chǎn)生原因、形成過程、影響因素加以分析，采取可靠手段消除飛邊。從流變學角度對注塑成形
過程中飛邊的形成進行了研究。通過對矩形和環(huán)形兩種模型下分型面間隙產(chǎn)生的飛邊進行
研究，得出了豎直和曲線分型面下飛邊的長度方程，并通過試驗證實了該方程的準確性。分析注塑過程，指出飛邊的產(chǎn)生受模具結構和加工制造方面、成型工藝、材料特性、制件結構以及設備等因素的影響。通過模具補償?shù)姆椒ㄈコw邊的研究報道很少。事實上，通過有限元模擬技術可預測飛邊產(chǎn)生的位置及大小，通過模具補償可以有效去除飛邊。
1 飛邊產(chǎn)生的影響因素分析
飛邊又稱溢邊、披鋒、毛刺等，大多發(fā)生在模具的分合位置上，即分型面上靠近型腔的位置。飛邊產(chǎn)生的原因比較復雜，主要集中在以下幾個方面：①模具模具設計結構不合理、模具制造精度的影響、模具材料選擇不當；②工藝參數(shù)模具的預熱溫度不合適、熔融金屬溫度的影響、澆注速度不合理、鎖模力選擇不當；③設備合模裝置調(diào)節(jié)不佳，造成合模不均衡；④鑄件結構與材質(zhì)。
本課題研究的渦輪增壓器鑄件原用模具是日本制造，在長期使用后損壞，故自主設計了同型號的模具，在設備、工藝參數(shù)、鑄件材料、模具材料等完全相同的情況下，出現(xiàn)飛邊。
排除了設備、工藝參數(shù)、鑄件材料、模具材料等的影響，經(jīng)過觀察分析，認為飛邊產(chǎn)生的主要原因是在鑄造過程中。模具變形，分型面上產(chǎn)生附加間隙，使得熔融金屬液進入模具間隙。為消除飛邊，擬對飛邊產(chǎn)生部位進行補償。
本課題采用Abaqus軟件模擬了低壓鑄造渦輪增壓器殼體鑄造成形過程，殼體材質(zhì)為AIS17Mg。對渦殼模具在鑄造過程中的變形進行分析，預測飛邊產(chǎn)生的位置與大��；采取合適的措施對模具進行修正補償，消除了飛邊，并進行試驗，得到與預期相符的效果。
2 渦輪增壓器殼體鑄造成形過程模擬
對渦輪增壓器殼體的低壓鑄造成形過程進行有限元模擬。根據(jù)模擬結果，觀察模具分型面上節(jié)點的變形位移情況，計算出飛邊產(chǎn)生的位置及大小，與實際生產(chǎn)中殼體上的鑄造飛邊的位置及大小相比較是否一致；采取合理的方法對模具進行修正補償，以達到消除飛邊的目的；用補償后的模具進行生產(chǎn)試驗，驗證修正補償?shù)目尚行浴?
2.1 模型的建立及簡化
以某渦輪增壓器的渦殼鑄件為研究對象，采用三維設計軟件UG對渦殼鑄造模具進行三維實體造型，其三維模型見圖1。由于模具底部螺栓、底部支板等僅起到連接、固定作用，對傳熱的影響可以忽略。
渦殼模具分為上模和下模，分別對模型進行簡化，再裝配，整個過程在三維建模軟件UG中完成。首先，簡化一些較復雜的結構，如澆道、冒口等；其次去除一些對結果影響不大，但對網(wǎng)格質(zhì)量影響較大的細微結構，如模型中的孔結構、細小倒角、圓角等。
2.2模具的預處理及求解
渦殼模具的預處理，即對分析模型進行前處理的設置，包括模具材料屬性的賦值；建立分析步；對模具進行網(wǎng)格劃分；上、下模具間接觸關系的定義，所受約束和受力情況的賦予。
將模型導入專用網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分，上模網(wǎng)格數(shù)為162 449，節(jié)點數(shù)為171 264個；下模網(wǎng)格數(shù)為172 644，節(jié)點數(shù)為180 812個。
渦殼模具的材料是H13鋼(5CrNiMo)，將其參數(shù)設置好后賦予模具。其參數(shù)是：密度為7 800 kg／m3，彈性模量為210×106 k Pa，泊松比為0.3，比熱容為460J/(kg．K)，線膨脹系數(shù)見表1，熱導率見表2。
渦殼模具在整個澆注過程中產(chǎn)生熱變形，溫度隨時間變化，材料參數(shù)隨溫度變化，應力應變場取決于溫度場，因此，設置分析步為熱機耦合分析步。
上下模具之間為硬接觸。上模上有55 k N的合模力，上、下模都有重力載荷。上模的預熱溫度為330℃，下模的預熱溫度為300℃，澆注溫度為700℃。同時約束下模底面的自由度。在對渦輪增壓器殼體鑄造過程的預處理設置完成后進行求解。
2.3模擬結果分析及飛邊的預測
以鑄造模具的下模作為分析對象，模具變形分為兩個階段：預熱階段和金屬液澆注階段。在預熱階段，模具從常溫加熱至300℃；金屬液澆注階段，700℃熔融金屬液進入模具型腔。模具在整個鑄造過程中的變形位移云圖見圖2�？梢钥闯�，分型面上間隙較大即可能出現(xiàn)飛邊的位置有6處，即A～F。
以這6個區(qū)域為研究對象，圖3為節(jié)點處間隙大小隨時間的變化趨勢�？梢钥闯觯S著預熱溫度增加，分型面上間隙逐漸增大；之后，隨著金屬液注入型腔，間隙逐漸減小，預熱到300℃時，間隙達到最大，即此時形成的飛邊是最大的。
經(jīng)過分析比較，模具分型面間隙主要是由于模具結構影響，使得模具在預熱階段變形不協(xié)調(diào)，同一分型面上，靠近型腔部分變形位移較遠離部分小，從而形成內(nèi)低外高的情況，隨著預熱完成，間隙也達到最大，金屬液注入后，部分金屬液進入間隙，由于金屬液溫度很高，模具型腔瞬間升溫，分型面上靠近型腔的部分受熱膨脹，間隙減小，將部分金屬液擠出間隙，隨著澆注結束，部分間隙完全消失，隨之金屬液降溫凝固，部分未合攏間隙處形成飛邊。因此，最終可能會造成鑄造飛邊的位置是區(qū)域B、C、F。同理，上模變形位移情況見圖6。根據(jù)模擬的結果，可能產(chǎn)生鑄造飛邊的位置為：區(qū)域a～h。區(qū)域b、c、f、g雖然有間隙，但對應的位置是冒口，不影響鑄件。
將上下模合模，分型面貼合，在鑄件上可能產(chǎn)生飛邊處，為區(qū)域M、N（見圖7）。依據(jù)模擬工藝參數(shù)進行試驗，實際加工的鑄件見圖8。在靠近澆口（見圖7區(qū)域M、N）處，有飛邊出現(xiàn)，其余位置無明顯飛邊，試驗結果與模擬結果基本符合。
2.4模具修正方法
渦輪增壓器殼體飛邊是由于模具在預熱階段變形不協(xié)調(diào)，引起附加間隙，金屬液進入模具間隙，冷卻后成為飛邊。因此提出對模具進行變形量補償：在設計模具時，將模擬得到的模具分型面上由于預熱造成的間隙量補償在模具上，經(jīng)過預熱、模具熱變形，補償量正好抵消原來的間隙，得到平整的分型面，避免了鑄件飛邊的產(chǎn)生。
根據(jù)上述鑄造過程中模具分型面的間隙量對模具進行補償，補償后的模具樣品，見圖9。
2.5試驗驗證
利用制造出的模具進行預熱合模試驗，驗證其補償是否起作用，見圖10。
在常溫狀態(tài)時合模，由于補償量的存在，模具無法合攏，四周有間隙，用塞尺測量，分型面1、2處間隙約為0．18 mm，分型面3、4、5處間隙為0.2 mm。隨著溫度升高，模具產(chǎn)生熱變形，四周間隙開始減小，在250℃左右用塞尺測量，分型面5處間隙約為0.12 mm，分型面：1、2、3處間隙為0. 14 mm，分型面4處間隙為0.16mm，說明補償和模具的變形趨勢是一致的，補償產(chǎn)生了作用。
在294℃時用塞尺測量，各間隙均小于0.07 mm模具分型面僅粗加工），且各分型面基本已呈平面狀態(tài)，不再有斜度，符合模具補償?shù)囊蟆?
對模具進行必要的修模，后做澆注試驗，圖11為改進后的模具澆注得到的渦殼鑄件�？梢钥闯�，鑄件幾乎沒有飛邊，飛邊補償完全達到了預期的效果。
3 結 論
通過有限元分析軟件對渦輪增壓器殼模具進行鑄造過程模擬，可以準確地預測飛邊產(chǎn)生的位置及大小，然后采用模具補償飛邊量的辦法能夠有效去除飛邊。
4摘 要 采用UG軟件對低壓鑄造增壓器殼體鑄造模具進行三維造型，同時對模型進行簡化。用Hypermesh軟件對模型進行網(wǎng)格劃分以獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，運用Abaqus軟件模擬增壓器殼體的鑄造成形過程，對殼體模具在鑄造過程中的變形進行分析，預測飛邊產(chǎn)生的位置及大小，并與實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的飛邊作對比；采集模擬的分型面間隙數(shù)據(jù)，將間隙量補償在模具上，對模具進行修正補償，并進行鑄造試驗，鑄件沒有飛邊，得到與預期相符的結果。
