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基于MAGMA的铝合金发动机缸体低压铸造工艺优化

2024-05-31 09:35:39

来源:《有色金属加工》

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摘要: 以铝合金发动机缸体的低压铸造过程为研究对象,应用MAGMA铸造模拟软件对充型及凝固过程进行模拟,将固相分数、充型温度、虚拟实验设计以及非热平衡状态的模拟结果和实际生产情况相结合,制定工艺参数,预测缺陷产生的位置,确定最佳工艺参数组合,优化生产工艺,保证质量稳定。

关键词:低压铸造;MAGMA;数值模拟;工艺优化

低压铸造技术具有原材料利用率高、铸件品质好,尺寸精度和表面光洁度高、容易实现机械化和自动化等特点[1],是实现汽车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施[2,3]。然而,低压铸造过程看似简单,生产中涉及多个环节,每一步对模具的温度场,铸件的充型凝固过程都会产生影响[4]。如果仅仅通过生产测试来调整工艺,会消耗大量的人力物力财力。而通过数值模拟可预知液体金属充型、凝固过程中的温度分布,预测铸件中缺陷出现的位置、大小等,从而可以根据模拟结果调整铸造工艺方案、参数等[5-7]。

本研究采用MAGMA铸造模拟软件的铝合金低压铸造模块,以本公司生产的某铝合金发动机缸体铸件为研究对象(A356铝合金,外形尺寸约为430mm×360mm×330mm,最小壁厚4mm),进行充型及凝固过程模拟,探讨了模拟结果在工艺优化中的应用。

1 利用凝固分数确定保压时间

低压铸造是将干燥的压缩空气压入密封坩埚内的液面上,使金属液在气体压力的作用下,沿升液管自下而上地上升,再通过浇口和浇道平稳地充满铸型,并保持在一定压力作用下结晶凝固(保压阶段),保压结束后,释放液面上的气体压力,使浇口和升液管中没有凝固的金属液靠自重流回到坩埚中,再将铸型打开,取出铸件的过程[1]。

在保压阶段,除了保压压力,保压时间是另一个重要的参数。它与铸件的壁厚、结构及浇口形状,液态金属的温度及热导率,铸型的温度、热导率及冷却条件,升液管是否有加热保温措施等有关[8]。保压时间不足,铸件的凝固得不到充分补缩,容易产生缩松缩孔,甚至出现铸件底部因未凝固而回流的现象;若保压时间过长,不仅会降低生产效率,严重时可能导致浇口下端凝固,造成铸件难以脱模[9]。

因为低压铸造自下而上充型,自上而下凝固的特点,浇口和浇道是铸件最后凝固的部位,以它们的凝固状态为依据,就可以确定保压时间。利用MAGMA凝固过程模拟中固相分数的结果,当浇口颈部的固相分数为50%左右时(图1),即可开始释放作用在液面的压力。

图1:浇口和浇道泄压前的固相分数模拟

因为此时已经不能通过底部的压力促进浇口对铸件的补缩,而且浇口浇道也具备了一定的强度,不会产生回流现象。利用泄压和开模前的时间可以让浇口浇道充分凝固,从而随铸件一同脱模。将模拟得到的时间作为保压时间应用于实际中,浇口状态和模拟结果基本吻合(图2)。

图2 脱模后的浇口和浇道凝固状态

2 利用充型温度的结果预防冷隔发生

冷隔是由于合金液的温度或模温太低、流动性差,在两股合金液流汇处不能对接和熔合在一起所致[10]。在MAGMA中, 可以利用充型温度(filling temperature)的结果来判断发生冷隔的风险。这个结果显示了每个网格单元第一次被填充时对应的金属液温度,并且在整个铸件中显示出来。通过这种方式,整个充型过程被汇总到一个结果中。利用这个结果可以让我们确定铝液到达铸件不同部位时的初始温度,它综合了铝液浇注温度和模具温度等的影响,对冷隔的预测更加客观。在模拟结果中,若充型温度在一块区域内低于液相线温度(A356合金的液相线温度为615℃[11]),且此处壁厚较薄,则容易出现冷隔(图3)。

图3 充型温度的模拟结果

在实际生产中,发现该处的冷隔会在模具对应位置保温涂料脱落后产生(图4)。因为失去了涂料的保温作用,开模后模具金属表面直接暴露在空气中进行热交换,模温下降较快,从而影响了下一个生产循环中到达该处的铝液温度,因此产生冷隔。通过模拟结果和实践经验,生产中加强对模具上对应位置的涂料监控,及时补喷,有效避免了因冷隔导致的报废。

图4 冷隔缺陷

3 利用虚拟实验设计优化参数组合

发动机缸体结构复杂,壁厚不均匀,在铸件最后凝固的地方得不到金属液的补缩,很容易产生缩松缩孔类缺陷[10](图5)。在低压铸造工艺中,针对缩松缺陷,我们可以调整的变量包括: 浇注温度,模具温度,冷却介质,冷却时间,冷却流量,压力参数等。尽管我们可以通过科学的实验设计,测试生产,并辅以X射线检查的方式,总结出使用不同组合方案后缺陷的大小变化,但是这需要大量的投入。

图5 缩松的金相照片

在MAGMA中使用虚拟实验设计(design of experiment)功能,在一次计算中可以模拟多个参数组合,并进行缺陷大小排序,迅速地找到最佳方案。

这里以模具温度的实验设计为例。在低压铸造工艺中,模具加热温度过高,会引起粘模和变形等问题,影响其使用寿命;过低又容易引起浇不足和冷隔等缺陷,同时考虑到模具从下至上,加热温度的设定呈由高到低的顺序,结合以往的生产经验,底模温度通常设定在620℃ ~640℃之间,侧模初始温度通常设定在250℃~450℃之间。

实验设计中取底模初始温度分别为620℃ 和640℃,侧模初始温度分别为250℃、350℃和450℃,共形成6种组合方案(表1),目标为找出使总体缩松最小的参数组合。

经过模拟计算,得到基于总体缩松大小的排名(表2),可以看到第6种设计方案,即底模初始温度640℃,侧模初始温度为450℃的方案,总体缩松最小。将这组参数应用于生产中后,实际的总体缩松缺陷率也相应地实现了一定程度的降低。

4 模拟停机后再生产的工艺条件指导浇道结构优化

低压铸造生产是一个循环的周期性的工作过程,每一次浇注过程(包括清理、喷补涂料、下过滤网、下砂芯、吹扫、合模、充型、保压、泄压、冷却、开模、取件等)都伴随着模具温度从低到高再降低的过程。使模具升温的热源,一是模具的加热系统,二是由金属液带入的热量。模具在得到热量的同时,也向空气散发热量或者由冷却介质带走一部分热量,如果单位时间内模具吸收的热量和散发的热量相等,达到一个平衡状态,则称为模具的热平衡[12]。

铸造工艺参数的设定是基于模具热平衡状态设定的,当生产节拍发生异常时,模具的热平衡被破坏,还使用原参数来控制铸造过程就不合理了。模具温度过高或过低都会带来一些不良的后果[13],这里以模具温度过低的情形为研究对象。在低压铸造生产过程中,需要定期全面地清理模具,喷涂料,更换坩埚,补充铝液等,偶尔也会有设备或者模具故障发生,这些都会导致一定时间的停机,从而影响模具的温度场,造成工艺条件与设计的理想条件的差别,产生质量风险。在生产中发现油底壳侧靠近浇道的一个区域(以下简称为A区)易产生缩松缺陷(图6),其中90%以上A 区缩松都发生在因各种原因停机超过10min 之后。尽管多数停机情况下,都会开启加热系统,合模保温,模具温度还是达不到连续浇注后的平衡状态,缺陷因此而产生。

图6 A区的缩松缺陷

用MAGMA模拟时,经过10个预热循环后,模具就达到了热平衡状态。再进行一个生产循环的模拟,就可以得到正常节拍后铸件内缺陷分布和大小的结果。在模拟非正常节拍时,先计算10个预热循环,让模具达到热平衡,然后修改合模之后,浇注之前的等待时间,以模拟停机保温的过程,再计算一个生产循环。通过两种情况下的模拟结果可以看到,正常生产节拍时,在A区下端的浇道内有缩松,这个缩松在后续切割浇道时即被加工掉,不影响铸件的最终质量(图7(a))。而停机保温10min 后,缩松从浇道内上移至铸件内,加工时正好能暴露在加工面上(图7(b))。

图7 不同情况下MAGMA模拟的A区缩松的位置及大小

将参数在公差范围内进行调整,进行多组模拟,发现这个缺陷仍会浮动于浇道和铸件之中。究其原因,是因为这个区域铸件比较厚大,凝固较慢,若想消除掉此缩松,就需要减小这个区域的厚度,加速其凝固,同时还要保证不影响铸件其他位置充型凝固后的质量状态。结合以往的经验,设定了填满底模浇道上正对A区的梯形凹槽的方案,使A区的冷却加快。更改浇道的数模,利用MAGMA对正常节拍和停机后的情况进行模拟,发现充型过程没有太大影响,而缩松彻底消失(图8),同时没有在铸件其他位置产生新的缺陷。按此方案对生产模具进行了浇道的更改(图9),生产验证也得到了同样的结果,彻底消除了A区的缩松,使铸件质量在正常节拍和停机后都更加稳定。

图8 浇道结构更改后在MAGMA模拟中的缩松彻底消失

图9 改进前后A区下端的浇道形状

5 结论

(1)用MAGMA模拟结果中浇口颈部的固相分数为50%左右时对应的时间作为保压时间,能保证浇口浇道完全凝固,并且顺利脱模。

(2)用充型模拟结果中的“充型温度”可以预测冷隔产生的风险,结合模具表面保温涂料的实际状态,制定工艺措施,可以有效预防冷隔发生。

(3)在模拟软件中进行虚拟实验设计,可以在众多参数组合中迅速找到最佳方案,提高了工艺优化的效率。

(4)对停机后再生产的情形进行模拟,能够发现模具热平衡被打破后容易产生的缺陷,基于这个结果进行工艺优化,可以使铸造工艺参数有更广泛的适用性,保证铸件质量的稳定。

参考文献

[1] 田荣璋.铸造铝合金[M].长沙:中南大学出版社,2006:351-353.

[2] 郑小秋,谢世坤,易榮喜,郭秀艳.低压铸造技术:发展历程、研究现状和未来趋势[J].材料导报,2016,30(4):74-80+85.

[3] 白钰枝,崔亚辉.特种铸造技术的研究及发展趋势[J].热加工工艺,2011,(17):65-67.

[4] 蒋岩. 探析影响低压铸造铸件质量的因素[J].冶金与材料,2019,39(3): 191-192.

[5] 王晓明,王超. 基于MAGMA 数值模拟的发动机缸盖铸造工艺优化设计[J].铸造设备与工艺,2019(1):11-14.

[6] 糜海飞. 基于MAGMA 的发动机缸体砂型铸造工艺的开发[J].金属加工(热加工),2016(1):36-37.

[7] 张德风,周蓬磊,王宸,等.基于MAGMA 的机车车钩摆块铸造工艺优化[J].机车车辆工艺,2018(1):39-40.

[8] 陈琦,彭兆弟,铸造技术问题对策[M]. 北京:机械工业出版社,2001:526.

[9] 邢雷杰. 铝合金压气机壳低压铸造工艺及模具开发研究[D].苏州大学,2015.

[10] 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册(第5 卷) ·铸造工艺[M].北京:机械工业出版社.2003.

[11] 王平, 刘静, 路贵民, 崔建忠. A356 铝合金液相线铸造形核规律[J]. 材料工程, 2002(10): 23-25.

[12] 王振东.低压铸造新工艺新技术与铸件缺陷防治及机械设备运行维护实用手册[M].北京:北方工业出版社,2006.

[13] 徐慧.福特3S4G 发动机缸盖低压铸造模拟分析及模具热平衡研究[D].重庆大学,2009.