基于anycasing的汽车发动机铝合金缸体铸造工艺仿真分析

基于anycasing的汽车发动机铝合金缸体铸造工艺仿真分析

在科技不断发展的时代，节能减排和绿色发展是适应社会发展的必然选择，每个行业都在努力工作。从我国汽车以年10%以上的增产率来看，预计在2020年汽车的数量将会超过2亿辆，汽车产业积极发展节能环保型汽车。在国内外，以汽车工业为主的国家都在寻求汽车轻量化解决方式，发动机是汽车里最重要的零件，而发动机缸体是主要部分，发动机的发展趋势为质量更轻、壁厚更薄，尺寸精密，但随之而来的就是结构更为复杂。本文通过有限元分析软件AnyCasting对铝合金缸体铸造工艺进行模拟仿真分析，所得数据可有效指导铸造工艺流程，改善铸铝缸体的整体性能1发动机缸铸造工艺模拟所使用的铸件为国内某汽车型号的直缸四缸发动机缸体，缸体整体外形尺寸大概为710mm×280mm×210mm，体积约为1.68×10现阶段国内大多数采用低压铸造、重力铸造等铸造工艺生产发动机缸体。由于技术不够发达以及经济成本高的原因，而且缸体铸件的复杂化、精密化，新的铸造工艺还未能普及使用，目前在铸造领域内广泛使用计算机模拟技术改善各种压力铸造的工艺方式，这有助于改善铸件的质量和可靠性，因此是铝合金缸体的发展方向。而在缸体的压力铸造过程中，为了使整个汽车发动机铝缸体铸件能够得到更好的力学性能，在压力铸造过程中要能够满足铸件壁厚差距大和铸件结构性问题，让铸件整体达到生产要求，同时对整个压铸过程中温度和氧化渣的控制也有着严格的要求。2铸造过程的数值模拟2.1浇注系统设计采用Pro/E软件建立发动机缸体及浇注系统模型，并将其装配在一起，见图1，然后导入AnyCasting中划分网格，并进行充型模拟。浇注系统包括浇口杯、横浇道、直浇道和集渣包。浇口杯是金属液进入铸件型腔的容器；横浇道用来连接直浇道，金属液流在这部分分流；直浇道连接浇口和横浇道，使金属液流入铸型，并与铸型直接接触；集渣包与型腔相连接，排出型腔内的气体及剩余金属液。根据内浇道位置不同浇注系统分为顶注式、底注式、侧注式等2.2压铸机模具材料网格划分之后，选择铸造工艺是压力铸造材料为ADC12铝合金，液相线温度580℃，固相线温度515℃。选用ITALPRESSEIP2150压铸机。模具材料为金属型铸钢SKD61，初始温度为200℃。工艺参数设置为：浇注温度650℃；压铸压力：40～80MPa；压射速度0.2～2.1m/s。在模拟实验过程中，设置的结束条件为凝固率100%，在输出条件中充型率间隔为20%，固相分数从5%～100%，间隔为5%。2.3流道数模拟结果考虑到流道对于压铸过程中充型及凝固都有重要影响，本文曾设计了两种浇道方案，如图2所示。在保证横截面积符合压力铸造要求前提下，图2(a）中分流道数设置为5，从模拟结果分析来看，由于中间流道阻力更小，位于两侧的流道没有金属液流过，造成充型过程中两侧金属液到达时间较慢，充型过程不能顺利完成。而图2(b）中流道数改为3，此时金属液均能通过3个分支流道，可以进行有效充型。故浇注系统流道数设置为3个，更容易加工而且更加符合生产要求。2.4球形浇口金属液流动状态浇口的大小与形状对于金属液进入型腔也有关系。在保证浇口面积的前提下，设计梯形浇口和圆柱形浇口，如图3所示。梯形浇口金属液流动状态为层状，不符合压铸实际情况，且充型时间较短，会造成浇不足，形成缩松的缺陷。而圆柱形浇口有利于金属液的填充，充型时间更长，金属液在型腔中有紊流，接近生产实际。3在模拟结果分析和工艺优化中3.1充型过程模拟本文所模拟的充型过程为压力铸造充型过程，即高温铝合金金属液会在高温高压的情况下填充金属型腔。压铸结束后铸件的质量与型腔的充型形式息息相关，并且有重要的影响，因此控制铸造过程中的流场是核心问题。在压力铸造充型过程流场的数值模拟中，不但能够对压铸充型过程的型腔内的流动规律进行分析，而且能预测可能产生的卷气、缩孔等缺陷的出现充型过程模型温度变化如图5所示。金属液在铸造型腔内充型65%之前为顺序充填，整个过程都较为平稳，金属液在流动过程与浇注系统和模具壁面进行传导散热，进入型腔后冷却凝固，随着凝固金属厚度逐渐增加，温度梯度增长缓慢；而充型接近85%时，部分区域金属液反向充填，先前内部凝固金属温度上升，整个浇注系统和模具的散热条件变差，温度梯度增大，随着充型不断增加，反向填充现象越发剧烈，充型100%时温度梯度增至最高。温度梯度较大的区域集中在发动机缸体的内壁上，造成此处收缩不一致，晶粒度不一致，力学性能的差异，而这些部位力学性能要求较高，进一步通过数值模拟后处理预测各种缺陷。3.2改变卷气现象，增加内卷气孔洞缺陷是常规压铸件的主要缺陷之一，对于铸件的力学性能和使用寿命有极为不利的影响。孔洞可能是凝固过程中缩孔、缩松及氢气析出造成的，更可能由于压铸具有高压高速特点，充型过程中产生强烈的紊流、喷射，型腔中部分空气来不及排出，卷入到金属内部一起充填型腔，并在后续压力作用下缩小、变形，最终留在铸件内部形成的。因此金属液的卷气现象几乎不可避免。图6为充型过程中产生的卷气现象，充型前期处于慢压射阶段，金属液平稳输送到浇口处，几乎无卷气现象出现。但随着充型到25%时金属液速度加快，压射速度变化，进入快速压射充型过程，加之结构影响，型腔内部气体来不及排出，尽管设置8个集渣包，在金属液产生紊流的区域会出现卷气现象。卷气主要集中在铸件外壁以及内壁上，与之前温度梯度分析结果一致，这些地方最有可能出现缺陷。图7为铸件的空气压力变化。颜色深的区域为高气压区，会产生冷隔和气孔，主要位于铸件的复杂曲面及两边侧壁。图8为铸件的晶粒尺寸分布。由图8可知铸件整体晶粒尺寸存在差异，先凝固结晶晶粒偏小，最后凝固的内外壁表面晶粒尺寸偏大，导致铸件表面粗糙。4浇注系统模型的建立(1）采用AnyCasting软件对铝合金缸体压力铸造进行数值模拟。首先对浇道数量和浇口形状进行设计，得到较为合理的浇注系统，然后对缸体、浇注系统