凸轮轴盖压铸模铸造过程数值模拟

凸轮轴盖压铸模铸造过程数值模拟

作为轴承的安装载体，轴承盖与气鼓盖相连，用于密封气堂盖、气室和轴承。这是发动机的主要部件。与其他汽车零件相比,凸轮轴盖易变形,表面品质和尺寸精度要求高计算机模拟已在压铸领域得到广泛应用,通过充型、凝固等过程仿真可有效预测铸造缺陷,优化模具设计1物理模型和数值模型的建立1.1浇注系统方案设计铝合金凸轮轴盖零件为矩形框架结构,其三维模型见图1。轮廓尺寸为361mm×160mm×44mm,体积约为4.34×10鉴于凸轮轴盖铸件为长方形框架结构,浇注系统采用侧浇方式。为缩短金属液的流动距离,浇口设在框架长边一侧;又由于该框架形铸件内部有6处横梁结构,宜采用分叉式横浇道。内浇口截面积计算如下:式中,根据经验公式和模具设计理论进行模具设计,其中主要参数见表1。根据铸件结构特征和浇注系统设计理论,设计了3种浇注系统方案,见图2。方案1有6个内浇口,分布在铸件长边上5处带U形凹槽的横梁位置及端部。为了防止铸件短边上靠近浇口的半圆台处产生卷气和缩孔,方案2添加了溢流槽,见图2b。而考虑到铸件端部两横浇道在液流交汇处容易产生卷气,方案3将左侧两个内浇口合并为一个,且保留了方案2中所添加的溢流槽,见图2c。1.2和动能守恒定律式铸件充型的数值模型将金属液看作不可压缩流体,其流动过程遵守质量和动量守恒定律式中,ϕ为通用向量;热传导采用傅里叶定律(Fourier)导热微分方程来描述计算对流传热用Newton冷却定律描述:=辐射传热遵循Stefen-Boltzman定律:=式中,1.3网格尺寸划分采用Visual-Mesh模块划分四面体网格,将内浇口、溢流槽等薄壁位置网格尺寸划为0.5mm,铸件网格尺寸为2.5mm,其他厚壁部位相应增大尺寸以减小网格的数量,铸件及虚拟模具的网格数量为196万个。凸轮轴盖压铸模拟计算初始条件及边界条件见表2。2数值模拟结果与讨论2.1标记位置的影响3种浇注系统设计方案的充型过程仿真结果见图3。图3a为方案1的充填过程,可以看出,金属液沿着直浇道进入型腔,整体上满足顺序填充,但由于凸轮轴盖的框架结构,使得金属液多次分流和汇合,增大卷气倾向。充型率为50%时,金属液在圆圈标记位置形成汇合,被压缩气体无法通过铸件横梁形成的型腔排出,容易在此处造成卷气和熔接痕。方案2的充填过程见图3b。与方案1相比,金属液流态相似,在填充率为50%时,金属液在圆圈标记位置也形成了液流汇合,但汇合流处于型腔通道,产生气孔和熔接痕的可能性较低。同时由于方案2在铸件圆台一侧开设了溢流槽,可减小卷气和缩孔缺陷。方案3与前两种方案相比,圆圈标记区域的液流汇合位置靠近溢流槽一侧,也处于型腔通道位置,见图3c。方案3避免了两股金属液在铸件内部交汇和相互冲击,从而减少了涡流、裹气以及氧化夹渣发生的可能,其浇注充型过程更合理。从充型率70%和95%时的充型状态来看,3种浇注系统设计方案充型情况均相似,型腔充满后,冷、污金属液和多余的金属液及型腔中的空气可顺利进入溢流槽排出。2.2凝固方案比选3种浇注系统方案完全凝固用时分别为51.6、53.8和51.7s,其凝固过程基本一致,见图4。总的来说,铸件薄壁和远离浇道的一侧区域先凝固,厚壁和近浇道区域后凝固。3种方案中铸件周边溢流槽都晚于铸件凝固,最后是横浇道和余料凝固,浇注系统能起到有效补缩作用。壁厚不均匀的铸件厚大区域会形成热节,容易产生缩孔、缩松2.3方案模拟分析在相同浇注及溢流、排气条件下,方案1、方案2与方案3模拟结果相比,铸件区域的缩孔、缩松缺陷更严重,见图5。3种方案条件下,铸件的孔隙体积分别为5.45、5.99和9.23mm3改进方案模拟结果通过对充型凝固过程及缩孔、缩松的分析比较,认为方案3的效果最好。但根据图3c充型50%时的充型仿真结果,金属液汇流处于型腔通道上,充填和排气条件较好;同时缩孔、缩松仿真结果显示,3种方案中铸件改进方案的充型和凝固过程见图6。改进方案的充型过程见图6a。模拟结果显示,充型过程整体上比较平稳,各区域的金属液基本上是齐头并进,差距较小,与图3c中的方案3相比,在填充率为50%时充填状态基本一致。改进方案的凝固过程与方案3相似,见图6b。从凝固时间来看,改进方案因减少了临近内浇道的一处热节,其完全凝固用时为46.7s,与方案3用时51.7s相比,缩短了凝固时间,从而提高了生产效率。改进方案的缩孔、缩松仿真结果和试模铸件见图7。图7a与方案3(见图5c)中的结果相比,铸件厚大区域的3处缩孔有1处被直接消除,另外两处缩孔体积减小,铸件缩孔体积为1.43×10从图7b可以看出,试模铸件表面光滑,无流痕、熔接痕和裂纹等表面缺陷。采用X光对试模制得铸件关键部位探伤(见图7b中圈选位置),结果见图8。可以看出,铸件4浇注系统优化设计(1)框型凸轮轴盖铸件减少横浇道数量可改善金属液的流动形态,减少因卷气而产生内部孔隙。(2)浇注系统优化方案通