基于MAGMA數(shù)值模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

王曉明，王 超

（1.山東科技職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 261053；2.濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件之一，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，其質(zhì)量性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和整體性能影響極大。因此，對(duì)缸蓋鑄件的質(zhì)量和性能要求非常高，如何穩(wěn)定大批量生產(chǎn)缸蓋鑄件是業(yè)界公認(rèn)的難題[1-2]。

WP10系列氣缸蓋為典型的薄壁復(fù)雜鑄件，尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，最小壁厚為4.5 mm，如圖1所示，采用KW靜壓全自動(dòng)造型線潮模砂工藝生產(chǎn)。由于薄壁及復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及大批量生產(chǎn)工藝控制難度大等問(wèn)題，鑄件生產(chǎn)中氣孔缺陷為主要的缺陷之一，比例約為2.5%.在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)氣孔缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，氣孔缺陷位置如圖2所示，比例約占?xì)饪讖U品率的85%以上，前期通過(guò)優(yōu)化砂芯排氣、優(yōu)化冒口尺寸結(jié)構(gòu)等措施，氣孔廢品率有了一定的降低，但是總體效果不明顯。為進(jìn)一步降低氣缸蓋氣孔缺陷廢品率，本文利用MAGMA數(shù)值模擬軟件對(duì)氣缸蓋鑄造工藝進(jìn)行模擬分析，依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)模樣布置和關(guān)鍵工藝澆注系統(tǒng)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 WP10系列氣缸蓋鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

圖2 WP10系列氣缸蓋鑄件氣孔缺陷的位置形貌

1 缸蓋鑄件生產(chǎn)工藝情況

1.1 現(xiàn)工藝分析

WP10系列氣缸蓋鑄件外形尺寸為330 mm×185 mm×125 mm，質(zhì)量20 kg，采用德國(guó)KW3500全自動(dòng)靜壓造型線潮模砂工藝，砂箱尺寸為1 000 mm×800 mm×260/260 mm，一箱6件；澆注系統(tǒng)采用兩層內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)的底注+中注工藝，過(guò)濾片采用陶瓷直孔過(guò)濾片立放工藝，澆注時(shí)間約26s，澆注重量約160 kg.圖3為WP10氣缸蓋型板模樣布置及澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，①～⑥為鑄件的位號(hào)追溯標(biāo)識(shí)，表1為澆注系統(tǒng)各位置截面積尺寸。

圖3 模樣布置及澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 WP10缸蓋澆注系統(tǒng)各位置截面積尺寸/mm2

通過(guò)計(jì)算，現(xiàn)有澆注系統(tǒng)為半封閉半開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有工藝澆注系統(tǒng)各位置截面積分析可得：

1）澆注系統(tǒng)各截面積比值 S直∶S橫（截流處）∶S內(nèi)為0.86∶0.42∶1，其中，直澆道座與過(guò)濾片座搭接處為澆注系統(tǒng)的截流面積S5，鐵水流經(jīng)S5位置時(shí)瞬時(shí)流速變大。同時(shí)，鐵水在搭接位置產(chǎn)生拐彎，鐵水在該處易發(fā)生噴濺和沖砂，紊流加大，一定程度影響過(guò)濾片的過(guò)濾阻渣效果，導(dǎo)致鑄件砂眼的風(fēng)險(xiǎn)加大。

2）截流面積S5為1050 mm2，相比另一側(cè)搭接處S6截面積2520mm2、橫澆道S3截面積1967mm2和內(nèi)澆道S4截面積2 520 mm2相對(duì)較小，后半部分為開(kāi)放式，且開(kāi)放度較大，S5/S4=2.4，導(dǎo)致后半段鐵水流速慢，澆注時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鐵水溫度降低較大，鐵水易過(guò)早凝固，堵住了型腔和砂芯氣體的排氣通道，加大鑄件氣孔風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 模擬分析

利用MAGMA軟件對(duì)WP10氣缸蓋鑄件澆注工藝充型情況進(jìn)行模擬。模擬參數(shù)設(shè)置如表2所示。根據(jù)分析需要，截取中間時(shí)間點(diǎn)12.25 s鐵水澆注充型情況及該時(shí)間點(diǎn)溫度場(chǎng)分布情況如圖4所示。

表2 模擬參數(shù)設(shè)置

圖4 充型過(guò)程溫度場(chǎng)分布（12.25 s）

由模擬結(jié)果可得：

1）澆注12.25 s時(shí)橫澆道仍處于鐵水未充滿狀態(tài)。由澆注系統(tǒng)各截面推算，由于橫澆道S3相比前段S5差值較大，約917 mm2，形成較大的開(kāi)放度，導(dǎo)致過(guò)大的橫澆道截面積未全部起到引流的作用。

2）1、6號(hào)位置鑄型較其他位置鐵水充型溫度有所降低，12.25s時(shí)刻1、6位置鐵水充型溫度約1380℃，2、5號(hào)位置溫度約為1 400℃，差值約20℃.根據(jù)充型壓力變化規(guī)律，鑄型充型順序依次為1、6號(hào)→2、5號(hào)→3、4號(hào)。因此，澆注過(guò)程中第一股鐵水首先進(jìn)入1、6號(hào)鑄型，由于鐵水首次流經(jīng)橫澆道時(shí)，冷的潮模砂澆道對(duì)前方鐵水產(chǎn)生一定的冷卻作用，加上橫澆道截面積較大，鐵水流動(dòng)平緩，冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，因此，1、6號(hào)位置相比其他位置鐵水溫度降低最大，充型溫度最低。

顯然，其他工藝條件相同的情況下，1、6號(hào)鑄型位置，鐵水溫度降低最大、充型溫度最低，最先進(jìn)入該位置的前方冷鐵水，在出氣針位置過(guò)早凝固，阻塞排氣通道，因此1、6位號(hào)鑄件氣孔缺陷發(fā)生的概率必然增大。

2 改進(jìn)澆注工藝

2.1 方案設(shè)計(jì)

綜上分析，新工藝設(shè)計(jì)時(shí)需克服1、6號(hào)位置鐵水充型溫度降低大、充型溫度低、與其他位置充型不同步的問(wèn)題。擬采取以下措施：

1）采取提高澆注速度，降低澆注時(shí)間，減少充型溫度降低。結(jié)合壓頭高度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將橫澆道位置的截流面積（即整個(gè)澆道的阻流面積）由1 050 mm2增大至約1 700 mm2，直澆道、內(nèi)澆道尺寸均不變，仍采用半封閉半開(kāi)放式澆注結(jié)構(gòu)，調(diào)整后各截面積比 S直：S橫：S內(nèi)約為 0.85：0.7：1.

2）調(diào)整型板模樣的布置，采取如圖8所示的布置方式，調(diào)整后原1、6號(hào)位置鑄型的鐵水在橫澆道中的流動(dòng)距離縮短約1/3，但更改后模樣呈現(xiàn)非對(duì)稱布置，存在左右兩側(cè)壓力不同的情況。為保證充型過(guò)程的各時(shí)間段不同位置充型同步，需對(duì)兩側(cè)橫澆道截面積取適當(dāng)?shù)谋壤?/p>

2.2 模擬分析確定非對(duì)稱兩側(cè)的截面積比值

為保證新工藝方案鐵水澆注充型同步，對(duì)調(diào)整布局的澆注系統(tǒng)兩側(cè)截面積設(shè)一定比例進(jìn)行模擬分析，通過(guò)分析各位置鐵水液面上升情況，得出合適的截面積比例。

首先左右兩側(cè)截面積按理論比例分別取1：1和2：1，按兩種比例分別進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬情況，適當(dāng)調(diào)整截面比例，再通過(guò)模擬分析驗(yàn)證調(diào)整后的比例是否合適。其中，以Sa值為基準(zhǔn)，通過(guò)改變Sb值的大小來(lái)調(diào)整兩者的比例，具體方案見(jiàn)圖5.圖6a）、b）分別為方案一和方案二的模擬結(jié)果，圖6c）為根據(jù)方案一和方案二模擬分析計(jì)算得出的比例，通過(guò)模擬驗(yàn)證，采用方案三Sa：Sb取2.13：1時(shí)，左右兩側(cè)液面上升較同步。

圖5 橫澆道左右側(cè)截面積配比

圖6 模擬結(jié)果

按照模擬結(jié)果，新澆注系統(tǒng)左右兩側(cè)的截面積比值按2.13：1進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整后的模樣布置和澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7所示，澆道各位置截面積值如表3所示。利用MAGMA對(duì)WP10缸蓋鑄件新工藝澆注充型情況進(jìn)行模擬分析，圖8為新工藝中間時(shí)間段6 s、18 s時(shí)鐵水充型過(guò)程中溫度場(chǎng)分布情況。

表3 WP10缸蓋新工藝澆注系統(tǒng)各位置截面積尺寸/mm2

圖7 新工藝模樣布局與澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 充型溫度場(chǎng)分布

模擬結(jié)果顯示，新工藝1、6號(hào)鑄型鐵水充型6 s時(shí)對(duì)應(yīng)位置澆注溫度約為1 395℃，18 s時(shí)澆注溫度約為1 410℃，較原工藝澆注溫度升高約10℃，同時(shí)1、6號(hào)位置較其他位置溫度降低有所改善。

2.3 工藝驗(yàn)證

依據(jù)模擬結(jié)果，按照方案三的設(shè)計(jì)參數(shù)完成了工裝的制作，如圖9所示，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工藝驗(yàn)證。驗(yàn)證時(shí)澆注重量約為158 kg，澆注時(shí)間為23 s左右，通過(guò)統(tǒng)計(jì)，氣孔廢品率為0.78%，各對(duì)應(yīng)模樣號(hào)的氣孔比例相對(duì)均衡，其中1、6號(hào)位置比例由原先的占比85%以上降至30%左右，新工藝取得了較好的效果。

圖9 新工藝工裝

3 結(jié) 論

利用MAGMA數(shù)值模擬對(duì)缸蓋鑄件鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝驗(yàn)證實(shí)施，新工藝取得了較好的效果。

1）提高了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率，縮短了工藝開(kāi)發(fā)周期。數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于鑄件的工藝優(yōu)化和開(kāi)發(fā)過(guò)程，可直觀地觀察鑄件充型及凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)充型效果、溫度場(chǎng)變化情況，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率；同時(shí)，大大縮短了工藝開(kāi)發(fā)周期。

2）新工藝已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。原1、6號(hào)位置缸蓋的氣孔缺陷占比由原先的85%左右下降至30%左右，氣孔廢品率也由原先的2.5%左右下降至1%以內(nèi)，新工藝取得了良好的效果。