基于数值模拟的汽车发动机缸体铸造缺陷预测

2018-04-26■高超，杨齐

金属加工(热加工) 2018年4期

关键词：充型铁液型腔

■ 高超，杨齐

我公司某型号汽车发动机缸体产品返修率约30%，长期以来居高不下，主要问题是浇注上顶面产生的气孔、气疤缺陷（见图1）。为进一步提高产品质量，降低返修成本，需对产生此问题的原因进行分析。

本文通过对某发动机缸体产品的铸造过程数值模拟，分析并预测产生气孔、气疤的原因，为下一步工艺改进提供参考。

1. 产品结构

该产品为典型的汽车发动机缸体，其基本尺寸为1146mm×598mm×542mm，理论重量约400kg，主要壁厚约10mm，产品结构如图2所示。

2. 浇注系统

该产品浇注系统采用双层浇道，铁液由第一层直浇道进入，由第一层横浇道往两边流动，再经第二层两个直浇道至第二层横浇道，经两层横浇道的7个内浇道底注进入产品型腔充型；型腔内液面升高，铁液逐渐由第二层内浇口流出，充型进入产品型腔；铸件上表面放置多个出气针，方便排气。产品的浇注系统如图3所示。

3. 铸造工艺模拟

采用Procast软件对产品铸造工艺进行数值模拟。将产品、浇注系统、出气针等三维模型导入ProCast软件进行前处理。根据产品结构划分面网格和体网格，体网格数量约369万个。

在划分好网格后，需对产品的材料及铸造工艺参数等进行设置。该产品材料为HT250，采用砂型铸造，型砂材料为呋喃树脂砂，浇注温度为1405℃，型砂初始温度为20℃，铸件与型砂间的换热系数取1000W/（m2·K），浇注时间为25s。

图1 产品缺陷

图2 产品三维结构

图3 产品浇注系统

4. 数值模拟结果

（1）充型过程图4为浇注过程中铸件充型20%、40%、60%、80%时的情况。从图中可以看出，铁液在吊环一侧首先充满吊环，其余部分由内浇道较平稳地向前推进，同时处于两二层直浇道处的内浇道开始流出铁液，但由于压力尚未建立，故该处流入型腔的趋势较缓；之后，型腔内部液面平稳上升，充型约40%时，两二层直浇道处的内浇道开始向型腔内充型，充型过程比较平稳。

（2）气孔、气疤的预测及原因分析为对产品型腔上表面出现的气孔、气疤进行预测，此处对型腔顶面的充型过程做详细分析。由图5a～5f可知，在型腔顶面的充型过程中，出现了多个由铁液包裹的区域，且该区域并未放置对应的出气针与型腔外界的大气联通，故该区域易憋气并产生气孔或气疤，易产生气疤的区域与实际生产情况一致（见图1）。

由图5可知，当型腔由各档轴承座平稳充型上升至顶面时，由于顶面的限制，液面不能继续上升；缸体两端面也被限制，液面只能由两端面往中间流动；同时，各轴承档充型至顶面时也被限制，从而液面由各轴承挡与顶面的连接处前端往两边扩散；因此，在相邻轴承档中间将出现多个被液面包裹的区域，若这些区域不能与外界连通，顺畅排气，则极易形成憋气，造成气孔、气疤的出现。