基于anycasing的汽車發(fā)動機鋁合金缸體鑄造工藝仿真分析

基于anycasing的汽車發(fā)動機鋁合金缸體鑄造工藝仿真分析

在科技不斷發(fā)展的時代，節(jié)能減排和綠色發(fā)展是適應(yīng)社會發(fā)展的必然選擇，每個行業(yè)都在努力工作。從我國汽車以年10%以上的增產(chǎn)率來看，預(yù)計在2020年汽車的數(shù)量將會超過2億輛，汽車產(chǎn)業(yè)積極發(fā)展節(jié)能環(huán)保型汽車。在國內(nèi)外，以汽車工業(yè)為主的國家都在尋求汽車輕量化解決方式，發(fā)動機是汽車里最重要的零件，而發(fā)動機缸體是主要部分，發(fā)動機的發(fā)展趨勢為質(zhì)量更輕、壁厚更薄，尺寸精密，但隨之而來的就是結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。本文通過有限元分析軟件AnyCasting對鋁合金缸體鑄造工藝進行模擬仿真分析，所得數(shù)據(jù)可有效指導(dǎo)鑄造工藝流程，改善鑄鋁缸體的整體性能1發(fā)動機缸鑄造工藝模擬所使用的鑄件為國內(nèi)某汽車型號的直缸四缸發(fā)動機缸體，缸體整體外形尺寸大概為710mm×280mm×210mm，體積約為1.68×10現(xiàn)階段國內(nèi)大多數(shù)采用低壓鑄造、重力鑄造等鑄造工藝生產(chǎn)發(fā)動機缸體。由于技術(shù)不夠發(fā)達以及經(jīng)濟成本高的原因，而且缸體鑄件的復(fù)雜化、精密化，新的鑄造工藝還未能普及使用，目前在鑄造領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用計算機模擬技術(shù)改善各種壓力鑄造的工藝方式，這有助于改善鑄件的質(zhì)量和可靠性，因此是鋁合金缸體的發(fā)展方向。而在缸體的壓力鑄造過程中，為了使整個汽車發(fā)動機鋁缸體鑄件能夠得到更好的力學(xué)性能，在壓力鑄造過程中要能夠滿足鑄件壁厚差距大和鑄件結(jié)構(gòu)性問題，讓鑄件整體達到生產(chǎn)要求，同時對整個壓鑄過程中溫度和氧化渣的控制也有著嚴格的要求。2鑄造過程的數(shù)值模擬2.1澆注系統(tǒng)設(shè)計采用Pro/E軟件建立發(fā)動機缸體及澆注系統(tǒng)模型，并將其裝配在一起，見圖1，然后導(dǎo)入AnyCasting中劃分網(wǎng)格，并進行充型模擬。澆注系統(tǒng)包括澆口杯、橫澆道、直澆道和集渣包。澆口杯是金屬液進入鑄件型腔的容器；橫澆道用來連接直澆道，金屬液流在這部分分流；直澆道連接澆口和橫澆道，使金屬液流入鑄型，并與鑄型直接接觸；集渣包與型腔相連接，排出型腔內(nèi)的氣體及剩余金屬液。根據(jù)內(nèi)澆道位置不同澆注系統(tǒng)分為頂注式、底注式、側(cè)注式等2.2壓鑄機模具材料網(wǎng)格劃分之后，選擇鑄造工藝是壓力鑄造材料為ADC12鋁合金，液相線溫度580℃，固相線溫度515℃。選用ITALPRESSEIP2150壓鑄機。模具材料為金屬型鑄鋼SKD61，初始溫度為200℃。工藝參數(shù)設(shè)置為：澆注溫度650℃；壓鑄壓力：40～80MPa；壓射速度0.2～2.1m/s。在模擬實驗過程中，設(shè)置的結(jié)束條件為凝固率100%，在輸出條件中充型率間隔為20%，固相分數(shù)從5%～100%，間隔為5%。2.3流道數(shù)模擬結(jié)果考慮到流道對于壓鑄過程中充型及凝固都有重要影響，本文曾設(shè)計了兩種澆道方案，如圖2所示。在保證橫截面積符合壓力鑄造要求前提下，圖2(a）中分流道數(shù)設(shè)置為5，從模擬結(jié)果分析來看，由于中間流道阻力更小，位于兩側(cè)的流道沒有金屬液流過，造成充型過程中兩側(cè)金屬液到達時間較慢，充型過程不能順利完成。而圖2(b）中流道數(shù)改為3，此時金屬液均能通過3個分支流道，可以進行有效充型。故澆注系統(tǒng)流道數(shù)設(shè)置為3個，更容易加工而且更加符合生產(chǎn)要求。2.4球形澆口金屬液流動狀態(tài)澆口的大小與形狀對于金屬液進入型腔也有關(guān)系。在保證澆口面積的前提下，設(shè)計梯形澆口和圓柱形澆口，如圖3所示。梯形澆口金屬液流動狀態(tài)為層狀，不符合壓鑄實際情況，且充型時間較短，會造成澆不足，形成縮松的缺陷。而圓柱形澆口有利于金屬液的填充，充型時間更長，金屬液在型腔中有紊流，接近生產(chǎn)實際。3在模擬結(jié)果分析和工藝優(yōu)化中3.1充型過程模擬本文所模擬的充型過程為壓力鑄造充型過程，即高溫鋁合金金屬液會在高溫高壓的情況下填充金屬型腔。壓鑄結(jié)束后鑄件的質(zhì)量與型腔的充型形式息息相關(guān)，并且有重要的影響，因此控制鑄造過程中的流場是核心問題。在壓力鑄造充型過程流場的數(shù)值模擬中，不但能夠?qū)鸿T充型過程的型腔內(nèi)的流動規(guī)律進行分析，而且能預(yù)測可能產(chǎn)生的卷氣、縮孔等缺陷的出現(xiàn)充型過程模型溫度變化如圖5所示。金屬液在鑄造型腔內(nèi)充型65%之前為順序充填，整個過程都較為平穩(wěn)，金屬液在流動過程與澆注系統(tǒng)和模具壁面進行傳導(dǎo)散熱，進入型腔后冷卻凝固，隨著凝固金屬厚度逐漸增加，溫度梯度增長緩慢；而充型接近85%時，部分區(qū)域金屬液反向充填，先前內(nèi)部凝固金屬溫度上升，整個澆注系統(tǒng)和模具的散熱條件變差，溫度梯度增大，隨著充型不斷增加，反向填充現(xiàn)象越發(fā)劇烈，充型100%時溫度梯度增至最高。溫度梯度較大的區(qū)域集中在發(fā)動機缸體的內(nèi)壁上，造成此處收縮不一致，晶粒度不一致，力學(xué)性能的差異，而這些部位力學(xué)性能要求較高，進一步通過數(shù)值模擬后處理預(yù)測各種缺陷。3.2改變卷氣現(xiàn)象，增加內(nèi)卷氣孔洞缺陷是常規(guī)壓鑄件的主要缺陷之一，對于鑄件的力學(xué)性能和使用壽命有極為不利的影響?？锥纯赡苁悄踢^程中縮孔、縮松及氫氣析出造成的，更可能由于壓鑄具有高壓高速特點，充型過程中產(chǎn)生強烈的紊流、噴射，型腔中部分空氣來不及排出，卷入到金屬內(nèi)部一起充填型腔，并在后續(xù)壓力作用下縮小、變形，最終留在鑄件內(nèi)部形成的。因此金屬液的卷氣現(xiàn)象幾乎不可避免。圖6為充型過程中產(chǎn)生的卷氣現(xiàn)象，充型前期處于慢壓射階段，金屬液平穩(wěn)輸送到澆口處，幾乎無卷氣現(xiàn)象出現(xiàn)。但隨著充型到25%時金屬液速度加快，壓射速度變化，進入快速壓射充型過程，加之結(jié)構(gòu)影響，型腔內(nèi)部氣體來不及排出，盡管設(shè)置8個集渣包，在金屬液產(chǎn)生紊流的區(qū)域會出現(xiàn)卷氣現(xiàn)象。卷氣主要集中在鑄件外壁以及內(nèi)壁上，與之前溫度梯度分析結(jié)果一致，這些地方最有可能出現(xiàn)缺陷。圖7為鑄件的空氣壓力變化。顏色深的區(qū)域為高氣壓區(qū)，會產(chǎn)生冷隔和氣孔，主要位于鑄件的復(fù)雜曲面及兩邊側(cè)壁。圖8為鑄件的晶粒尺寸分布。由圖8可知鑄件整體晶粒尺寸存在差異，先凝固結(jié)晶晶粒偏小，最后凝固的內(nèi)外壁表面晶粒尺寸偏大，導(dǎo)致鑄件表面粗糙。4澆注系統(tǒng)模型的建立(1）采用AnyCasting軟件對鋁合金缸體壓力鑄造進行數(shù)值模擬。首先對澆道數(shù)量和澆口形狀進行設(shè)計，得到較為合理的澆注系統(tǒng)，然后對缸體、澆注系統(tǒng)