发动机主轴承盖铸造工艺数值模拟与优化

发动机主轴承盖铸造工艺数值模拟与优化

主轴承是发动机的重要零件。它体积大，工作环境复杂，承受负荷大，对产品质量要求高。发动机主轴承盖一般采用砂型铸造进行生产，对质量和性能要求都非常高，铸件表面不允许有砂眼、渣孔和气孔等铸造缺陷，铸件内部不允许有缩孔缩松和针孔等缺陷随着流体传热及凝固理论的成熟和数值模拟技术的发展，铸造工艺数值模拟获得了快速发展1铸件结构和性能要求某发动机主轴承盖五件连体铸件毛坯（图1）所示，轮廓尺寸148mm×114mm×68mm，铸件重量为5.4kg，平均壁厚为30mm，材质为QT500-7球墨铸铁。根据毛坯零件图设计铸件三维造型如图2所示，该连体铸件加工为五个单体发动机主轴承盖（图3）。要求对铸件进行X射线探伤检测，加工面（图3深灰面）不容许有任何缩松缺陷，非加工面（图3浅灰面）内部缩松等级满足ASTME4462级。铸件的化学成分和材料力学性能要求分别如表1所示。材料力学性能要求：抗拉强度≥450MPa、屈服强度≥310MPa、伸长率≥10%、布氏硬度160～221HB。2雕塑工艺设计2.1虐待设计冒口的设计采用模数法，铸件模数计算公式为M2.2冒口补缩过程根据企业造型线实际，浇注系统采用“一模四件”方案，为了补缩效果更好从而保证铸件质量，冒口补缩采用双侧补缩，四个铸件共由六个冒口进行补缩。阻流截面积计算公式为式中G其中S阻流面积为该阻流面积是四个铸件阻流面积的总和，生产设计773mm3初始凝固顺序从铸造初始方案充型温度场分析来看充型温度损失少，充型结束时金属液温度仍然达到1380℃以上，使金属液保持了良好的流动性。为便于观察充型过程中铁水流动情况，选择一个位于铸件中间的剖面观察充型顺序，t=1.38s金属液开始填充铸件底部，整个充型时间3.46s，铁水在铸件型腔中平稳上升，无冲砂、卷气等发生。水平线初始方案凝固顺序及温度场如图5所示，灰色部分为已凝固区域。显然铸件热节位于中心位置，铸件呈现由四周向中心凝固的顺序。但在凝固后期，铸件中心部位出现孤立的熔池区，球铁凝固过程中既有液态收缩，也有共晶石墨化析出时的膨胀，但其膨胀量不可能完全补偿收缩量4常用均衡凝固理论，以及缩松稳定性差实际生产发现中发现，对球磨铸铁的汽车零配件中的安全件，受实际生产制程波动的影响，应用均衡凝固理论，缩松稳定性差。汽车安全件要求实现稳定的产品零缩松，不合格件将直接导致召回，故本次工艺优化仍以实现顺序凝固为主要设计优化思路，在实现顺序凝固的基础上再考虑通过调整冒口数量与布局提高工艺出品率。4.1铸造工艺优化后凝固顺序初始铸造方案数值模拟结果显示存在孤立熔池区，会有显著的铸造缺陷，其本质原因在于铸件热节，为此配置冷铁进行工艺优化，起到改变铸件热节的作用。经反复试验计算，配置长度为55mm冷铁，位置为铸件中心位置，冷铁弧面部分与铸造模具部分相同，具体如图7中1、2、3、4处所示。图8是经冷铁工艺优化后的凝固顺序图。浇道先于冒口凝固，防止冒口中金属液回流，有利于冒口补缩。由于冷铁的激冷作用，铸件热节发生了明显的改变，铸件中心部位最先凝固，然后由中心向两侧冒口处凝固，最后凝固部位在冒口处，整个凝固过程得到了双侧冒口的良好补缩。基于残余熔体模数的概率缺陷参数分析如图9所示，缺陷部位均位于浇道和冒口中，铸件本体没有缺陷，因此经过冷铁工艺优化后，本工艺方案可以得到致密性合格的产品。4.2残余熔体模数模拟结果二次优化后的凝固顺序动画显示，铸件呈现从远离冒口的一侧向靠近冒口一侧的凝固顺序，图11是选取某个剖面的观察的凝固顺序图，与之前对热节的预测是一致的，铸件最终凝固在冒口中，整个凝固过程冒口实现了良好补缩，实现了顺序凝固，保证了铸件内部无缩孔缩松缺陷。基于残余熔体模数的概率缺陷参数分析如图12所示，缺陷部位均位于浇道和冒口中，铸件本体没有缺陷，与凝固顺序分析结论一致。将六冒口双侧补缩优化为两冒口单侧补缩，只要合理布局冷铁位置，数值模拟结果显示同样能够保证铸件致密无缺陷。但冒口数量的减少，出品率有明显提升，表2给出了两种方案的具体工艺出品率，二次优化将工艺出品率提高了20.12%。5铸造工艺验证结果对六冒口双侧补缩方案（方案二）和两冒口单侧补缩方案（方案三）均进行了样品试制。检测结果表明铸件内部组织致密，无缩孔、缩松和超标缺陷显示，铸件质量均符合要求，试制结果与铸造工艺数值模拟结果是一致的。根据试制结果，选择更高工艺出品率的方案三作为量产生产工艺方案。6冷铁工艺设计结果的量的优化(1）使用Anycasting铸造模拟软件分析了发动机主轴承盖连体铸件砂型铸造原始方案的充型与凝固过程，并预测了铸件中出现缩松缩孔的位置。(2）通过冷铁工艺优化，在铸造模拟中实现了铸件的顺序凝固，消除了缩松缩孔等铸造缺陷。(3）通过对冒口布局与数量的优化，实现既能保证铸件致密性要求，同时将工艺出品率提高了20.12%。生产试制并对试制件进行X射线检测证明数值模拟结果可靠，根据数值模拟结果选择的量产方案可行。经过冷铁工艺优化后，以上六冒口双侧补缩方案虽然补缩效果好，能保证产品致密性质量要求，但出品率相对较低。为此，在保障产品质量的前提下进一步优化以提高出品率。优化方法是减少冒口，将六冒口双侧补缩改为两冒口单侧补缩。单侧补缩时，一个冒口向两边两个铸件同时进行补缩，希望的凝固顺序显然是由铸件远离冒口的一侧向靠近冒口的一侧凝固。与前一方案由于双侧冒口