基于正交试验的发动机连体轴瓦铸造工艺优化

2022-07-15雷艳淼余贵董菊明沈默

机械工程师 2022年7期

雷艳淼，余贵，董菊明，沈默

（黄冈师范学院机电与汽车工程学院，湖北黄冈 438000）

0 引言

发动机主轴承盖是汽车发动机的关键零部件，用量大、工作环境复杂、承受载荷大，对产品质量有较高要求。发动机主轴承盖一般采用砂型铸造进行生产，对质量和性能要求都非常高，铸件表面不允许有砂眼、渣孔和气孔等铸造缺陷，铸件内部不允许有缩孔、缩松和针孔等缺陷[1]。

随着流体传热及凝固理论的成熟和数值模拟技术的发展，铸造工艺数值模拟获得了快速发展[2]。利用数值模拟，铸造工作者可以对铸造全过程进行模拟仿真，在实际生产之前验证或优化所采用的铸造工艺参数，克服了铸造业长期存在的试制周期长、铸件成本高、质量难以控制等缺点, 对铸造结果和缺陷基本可以做到“未铸先知”和“防患于未然”[3-7]。本研究利用Anycasting软件对发动机主轴承盖铸造工艺进行数值模拟正交试验，采用统计方法研究了影响铸件质量的因素，优化了铸造工艺参数，并通过生产试制得到质量合格的产品。

1 铸件概况

某发动机主轴承盖5件连体铸件毛坯（如图1），轮廓尺寸为148 mm×114 mm× 68 mm，铸件质量为5.4 kg，平均壁厚为30 mm，材质为QT500-7球墨铸铁。根据毛坯零件图设计铸件三维造型如图2所示，该连体铸件加工为5个单体发动机主轴承盖。要求对铸件进行X射线探伤检测，加工面不容许有任何缩松缺陷，非加工面内部缩松等级满足ASTM E446 2级。铸件的化学成分要求如表1所示。材料力学性能要求：抗拉强度≥450 MPa、屈服强度≥310 MPa、伸长率≥10%、布氏硬度为160～221 HB。

表1 化学成分要求 %

图1 毛坯二维简图

图2 发动机主轴承盖5件连体铸件三维实体模型

2 铸造工艺设计

根据企业造型线实际，浇注系统采用“一模四件”的水平造型线方案，设计浇注系统如图4所示，铁水流经冒口进入铸件，冒口颈作内浇道。浇注系统采用前封闭、后开放设计，F内>F阻

图4 铸造工艺方案

冒口的设计采用模数法，选用直径为70 mm、高为140 mm圆柱冒口，模数为1.31，拔模斜度为5°，一个冒口要同时补缩两个铸件。由文献[8]经验公式计算总阻流面积F阻=720 mm2，每个阻流截面积为360 mm2，设计成6 mm×60 mm阻流薄板。F阻∶F横∶F直=1 ∶1.15∶1.2。

图3 冷铁尺寸

实际生产发现中发现，对球墨铸铁的汽车零配件中的安全件，受实际生产制程波动的影响，应用均衡凝固理论，缩松稳定性差。汽车安全件要求实现稳定的产品零缩松，不合格件将直接导致召回，故本次工艺优化仍以实现顺序凝固为主要设计优化思路。实现顺序凝固的办法是冒口搭配冷铁，冷铁尺寸如图4所示，位置如图4中的1、2、3、4处。

冷铁具体位置以冷铁端面与铸件端面偏移量L表示，如图4（b）所示。冷铁位置偏移量L和浇注温度、浇注高度是影响本铸件质量主要因素，为此设计正交试验，寻找最优化工艺参数。

3 正交试验及结果

3.1 Anycasting前处理

以给定网格总数的方法进行网格划分，最终确定网格总数为4 004 325。QT450球墨铸铁液相线温度为1148 ℃，固相线温度为1080 ℃。热传导系数设置：冷铁与铸件之间为3000 W/（m2·K），冷铁与砂模之间为1000 W/（m2·K），铸件及浇注系统与砂模之间设为Variable，具体变化规律如表2所示。浇口半径设为17.5 mm，收缩模型为重力收缩。

表2 铸件与砂芯的传热系数

3.2 正交试验及结果分析

用冷铁位置偏移量、浇注温度和浇注速度设计三因素三水平正交试验，如表3所示。为了解各因素对铸件质量的影响，根据表3设计确定了9种试验方案，如表4所示。使用Anycasting高级铸造分析中以残余熔体模数为参数的缺陷概率均值（铸件本体部分）为考核指标，充型时间和凝固时间作为辅助参考。

表3 正交试验因素水平表

表4 正交试验方案及结果

根据表4正交试验结果，从直接最优化角度分析，第6组的缺陷概率最低，为0.088 656 6%。工艺组合为A2B3C1，即冷铁偏移27 mm、浇注温度1430 ℃、浇注速度1.5 m/s。

对正交试验9个方案结果进行统计分析，得出表3中的P1、P2、P3、Q1、Q2、Q3及R。其中P1、P2、P3分别代表A、B、C因素第1、2、3水平所对应的缺陷概率之和；Q1、Q2、Q3分别代表A、B、C因素第1、2、3水平所对应的缺陷概率之平均值，R代表A、B、C因素各水平平均值的极差。由表4极差R分析结果可见，因素影响的大小顺序为A>B>C,即冷铁位置影响最为显著，其次是浇注温度，浇注高度影响因素较小。以每个因素的水平为横坐标，以考核指标的平均值（即Q1、Q2、Q3）为纵坐标，绘制各因素的趋势图，如图5所示。由Q1数值可知，因素A取二水平效果最优（缺陷概率最小），同理因素B取三水平最优，因素C取二水平最优，最优组合为A2B3C2，即冷铁偏移位置为27 mm、浇注温度为1430 ℃、浇注高度为2.0 m/s，但该组合并未出现在9个试验方案中，它是基于统计的结论。

图5 各因素趋势图

3.3 基于最优参数组合的模拟

根据正交试验分析结果，使用Anycasting对参数组合A1B1C3最优进行工艺模拟（如图6），模拟结果为：充型时间为2.3088 s、凝固时间为1558.2377 s。充型顺序层次分明、充型动画显示充型平稳、无卷气。铸件实现了完全顺序凝固，最后凝固位置在冒口中，铸件得到有效补缩。缺陷预测显示铸件本体零缩松，缩松缩孔缺陷均在冒口和浇道中。模拟结果证明，优化的工艺参数是合理可行的。