關于氣缸蓋罩壓鑄過程數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化的研究
作者：張毅
氣缸蓋罩是一種結構復雜的蓋罩類零件，壓鑄是其常用的成形方法。本課題針對某型氣缸蓋罩實際生產(chǎn)過程產(chǎn)生的缺陷，運用Anycasting鑄造軟件對鑄造充型、凝固過程進行模擬，分析了工藝參數(shù)對缺陷形成的影響，通過正交設計優(yōu)化了工藝參數(shù)，提高了氣缸蓋罩壓鑄成品率。
1 初始工藝方案
1.1 工藝特點與參數(shù)
氣缸罩蓋主要作用為防止隔絕、將機油冷凝回流，壓鑄件需保證其組織致密、表面無缺陷并滿足氣密性要求。氣缸蓋罩鑄件材料為ADC12鋁合金，其熱物性參數(shù)見表1。
該零件平均壁厚為5.5 mm，外形尺寸為428 mmX278 mm×84 mm．實際體積為1 303 394mm3，表面積為476 795 mm2，其三維模型見圖1。由于投影面積大且壁厚偏薄，在生產(chǎn)中易形成縮松縮孔、表面欠鑄和澆不足等缺陷。氣缸蓋罩壓鑄模具材料為SKD61合金，
其熱物性參數(shù)見表2。
壓鑄設備為DC12 50C臥式冷室壓鑄機，原生產(chǎn)工藝參數(shù)見表3。
1.2產(chǎn)品缺陷及分析
在鑄件充型和凝固過程中，影響其質量的主要工藝參數(shù)是壓射速度和澆注溫度。壓射速度過高易包卷氣體形成氣孔和加速模具磨損；壓射速度低導致鑄件致密性降低。澆注溫度過高，會使得鑄件收縮大，晶粒粗大，還會粘模；過低時，易產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷。
采用原工藝參數(shù)生產(chǎn)的壓鑄件，可以發(fā)現(xiàn)某些位置會產(chǎn)生欠鑄、澆不足和縮孔、縮松等缺陷，見圖2。經(jīng)分析，產(chǎn)生表面欠鑄和澆不足的原因是由于鑄件有凸臺且零件結構復雜，澆注溫度和壓射速度選擇不當，氣體和冷污的合金液不能有效排出引起的。產(chǎn)生縮孔、縮松的原因為澆注溫度偏高，壓射距離和壓射速度不合適，導致鑄件最后凝固處補縮能力不足。
用Anycasting軟件中的概率缺陷參數(shù)模塊對縮松縮孔缺陷進行預測，并用殘余熔體模數(shù)作為概率缺陷參數(shù)的判據(jù)。圖3為某截面的概率缺陷分布，在圖形標注區(qū)域深色處表示該處概率缺陷參數(shù)大于0.9，會出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。經(jīng)截面概率缺陷參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，鑄件最后凝固處概率缺陷參數(shù)值較大，容易出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷；鑄件橢圓處有壁厚較大的孔，充型過程中容易出現(xiàn)憋氣而造成縮孔、縮松缺陷；矩形處對應結構本身壁厚較厚，凝固時容易出現(xiàn)補縮不足導致縮孔、縮松等缺陷；在較深的凸孔處容易出現(xiàn)憋氣，收縮得不到補充而產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。
2 優(yōu)化試驗
2.1試驗方案
采用澆注溫度、慢／快壓射距離以及壓射速度進行3因素3水平正交試驗。正交因素水平表見表4。
2.2模擬結果分析
各組工藝參數(shù)條件下壓鑄的充型時間、凝固時間以及殘余熔體模數(shù)的正交模擬試驗見表5。
由表5可知，影響殘余熔體模數(shù)的最大因素是澆注溫度，其次是慢／快壓射距離，壓射速度影響最��；澆注溫度對凝固時間的影響顯著，澆注溫度降低．凝固時間縮短；壓射速度加快及壓室慢壓射距離變短，充型時間將變短。
通過其均值可得到每個因素的最優(yōu)值，最優(yōu)的參數(shù)組合：澆注溫度為630℃、慢／快壓射距離為700/160mm、壓射速度為6m／s。
3 優(yōu)化工藝壓鑄過程分析 ’
數(shù)值模擬方法可以對壓鑄件的充型過程、凝固時間及概率缺陷函數(shù)這三項直觀分析和預測缺陷，判斷澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)、工藝參數(shù)的合理性�，F(xiàn)針對表3優(yōu)化工藝參數(shù)，說明優(yōu)化工藝壓鑄氣缸蓋罩的過程。
3.1 充型過程
圖4為充型過程模擬圖。整個充型過程時間為0.139 s，速度較快。最初的速度為0.5 m/s，為慢壓射階段，該階段主要是將熔融金屬液平穩(wěn)送到內(nèi)澆口處，避免卷氣。當慢壓射距離達到700 mm時進入快壓射階段，其壓射速度為6 m/s。
由圖4a可以看出，當t=0. 110 077 s時，金屬液從澆道通過內(nèi)澆口多股同時注入型腔，經(jīng)溢流槽的改進和工藝參數(shù)優(yōu)化后，液態(tài)金屬從各內(nèi)澆口進入型腔順利有序，進入型腔后沿型腔內(nèi)壁向前填充，最終充型位置位于溢流槽。由于其充型時間較短，充型階段溫度幾乎不變。
3.2凝固過程
圖5為鑄件的凝固過程模擬圖。鑄件壁厚較薄處最先凝固，厚壁和深孔處后凝固，設置在充型末端的溢流槽比鑄件大部分后凝固，可以起到一定的補縮作用。而凝固過程的溫度隨時間的變化是先迅速下降，后變得平緩。
3.3缺陷預測
用Anycasting中的概率缺陷參數(shù)模塊對縮孔、縮松缺陷進行預測，見圖6�？梢钥闯觯a(chǎn)工藝方案中容易出現(xiàn)概率參數(shù)值較大的部位，在工藝參數(shù)優(yōu)化后其概率缺陷參數(shù)值減小至0.6以下。
4 生產(chǎn)驗證
氣缸蓋罩壓鑄工藝優(yōu)化后試制的鑄件見圖7。該鑄件輪廓清晰、表面質量良好，未發(fā)現(xiàn)缺陷。經(jīng)檢測，其表面粗糙度較低，組織較為致密，強度和硬度較高，達到了企業(yè)對該型號零件的質量要求。
5 結 論
(1)運用Anycasting，有效地預測成形時產(chǎn)生的縮孔、縮松等缺陷及位置，為改善澆注、排溢系統(tǒng)和優(yōu)化工藝提供了依據(jù)。
(2)優(yōu)化后的氣缸蓋罩壓鑄新工藝壓射速度較快，壓室慢壓射充型距離及充型、凝固時間縮短，溫度降低，提高了生產(chǎn)效率；優(yōu)化工藝后充型、凝固過程與原方案相比，殘余熔體模數(shù)減小，各截面概率缺陷參數(shù)值降低，縮孔、縮松減少或消失，提高了鑄件的質量。
6摘要運用Anycasting軟件對氣缸蓋罩的原工藝方案進行數(shù)值模擬分析，預測驗證了原工藝缺陷的種類和位置與實際應用的一致性，在此基礎上采用正交試驗方法優(yōu)化了工藝參數(shù)，提高了氣缸蓋罩零件的成品率。
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