沈 默，余 貴，董菊明，雷艷淼

（黃岡師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

發(fā)動機(jī)主軸承蓋是汽車發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件，用量大、工作環(huán)境復(fù)雜、承受載荷大，對產(chǎn)品質(zhì)量有較高要求。發(fā)動機(jī)主軸承蓋一般采用砂型鑄造進(jìn)行生產(chǎn)，對質(zhì)量和性能要求都非常高，鑄件表面不允許有砂眼、渣孔和氣孔等鑄造缺陷，鑄件內(nèi)部不允許有縮孔縮松和針孔等缺陷[1]。

隨著流體傳熱及凝固理論的成熟和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，鑄造工藝數(shù)值模擬獲得了快速發(fā)展[2]。利用數(shù)值模擬，鑄造工作者可以對鑄造全過程進(jìn)行模擬仿真，在實際生產(chǎn)之前驗證或優(yōu)化所采用的鑄造工藝參數(shù)，克服了鑄造業(yè)長期存在的試制周期長、鑄件成本高、質(zhì)量難以控制等缺點, 對鑄造結(jié)果和缺陷基本可以做到“未鑄先知”和“防患于未然”[3-7]。本研究利用Anycasting軟件對發(fā)動機(jī)主軸承蓋鑄造工藝進(jìn)行了充型與凝固過程的數(shù)值模擬，預(yù)測缺陷位置，通過工藝優(yōu)化模擬和生產(chǎn)試制，得到了質(zhì)量合格且工藝出品率較高的工藝方案。

1 鑄件概況

某發(fā)動機(jī)主軸承蓋五件連體鑄件毛坯（圖1）所示，輪廓尺寸148 mm×114 mm× 68 mm，鑄件重量為5.4 kg，平均壁厚為30 mm，材質(zhì)為QT500-7球墨鑄鐵。根據(jù)毛坯零件圖設(shè)計鑄件三維造型如圖2所示，該連體鑄件加工為五個單體發(fā)動機(jī)主軸承蓋（圖3）。要求對鑄件進(jìn)行X射線探傷檢測，加工面（圖3深灰面）不容許有任何縮松缺陷，非加工面（圖3淺灰面）內(nèi)部縮松等級滿足ASTM E446 2級。鑄件的化學(xué)成分和材料力學(xué)性能要求分別如表1所示。材料力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度≥450 MPa、屈服強(qiáng)度≥310 MPa、伸長率≥10%、布氏硬度160～221 HB。

表1 化學(xué)成分要求

圖1 毛坯二維簡圖

圖2 主軸承蓋五件連體鑄件三維模型

圖3 鑄件加工后的單體發(fā)動機(jī)主軸承蓋三維模型

2 鑄造工藝設(shè)計

2.1 冒口設(shè)計

冒口的設(shè)計采用模數(shù)法，鑄件模數(shù)計算公式為Mc=Vc/Ac，其中Mc為鑄件模數(shù)（cm），Vc為鑄件體積（cm3），Ac鑄件散熱表面積（cm2）。本鑄件體積744 360 mm3，表面積約66 460 mm2，計算得鑄件模數(shù)Mc=1.1cm。計算冒口模數(shù)依據(jù)MF≥kM≥Mc,其中MF為冒口模數(shù)，kM為模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，對球墨鑄鐵kM一般取0.8～1.1，考慮到鑄件對質(zhì)量要求較高，本文取1.1，則MF≥1.12×1.1=1.232 cm。設(shè)計圓柱冒口直徑70 mm，高140 mm，模數(shù)1.31，拔模斜度5°。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)企業(yè)造型線實際，澆注系統(tǒng)采用“一模四件”方案，為了補(bǔ)縮效果更好從而保證鑄件質(zhì)量，冒口補(bǔ)縮采用雙側(cè)補(bǔ)縮，四個鑄件共由六個冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。

阻流截面積計算公式為[8]

式中GL為流經(jīng)阻流口全部鐵水重量，含鑄件和澆冒口重量，μ為流量系數(shù)，取0.42，Hp為靜壓高頭，取20cm。對于六冒口雙側(cè)補(bǔ)縮GL=5.4×4+6×2=33.6kg。澆注時間計算公式為[8]

其中S1為壁厚影響因子，取2.2，球墨鑄鐵需在（3）式計算結(jié)果上減少1/2～1/3[8]，即為（2）式計算結(jié)果的0.5～0.67倍，本文取0.6倍?？傻脻沧r間

阻流面積為

該阻流面積是四個鑄件阻流面積的總和，生產(chǎn)設(shè)計773 mm2取整按800 mm2處理，一方面加快澆注提高效率，另一方面簡化了數(shù)字計算。外側(cè)四冒口各自只補(bǔ)縮一個鑄件，阻流面積設(shè)為100 mm2，中間兩個冒口要同時補(bǔ)縮兩個鑄件，阻流面積設(shè)為200 mm2。采用前封閉后開放設(shè)計，F(xiàn)阻∶F橫∶F直=1∶1.15∶1.2，F(xiàn)阻=800 mm2、F橫=920 mm2、F直=960 mm2。設(shè)計的澆注系統(tǒng)初始方案三維模型如圖4所示。

圖4 鑄造工藝方案模型

3 初始鑄造工藝方案的數(shù)值模擬

從鑄造初始方案充型溫度場分析來看充型溫度損失少，充型結(jié)束時金屬液溫度仍然達(dá)到1 380℃以上，使金屬液保持了良好的流動性。為便于觀察充型過程中鐵水流動情況，選擇一個位于鑄件中間的剖面觀察充型順序，t=1.38 s金屬液開始填充鑄件底部，整個充型時間3.46 s，鐵水在鑄件型腔中平穩(wěn)上升，無沖砂、卷氣等發(fā)生。

水平線初始方案凝固順序及溫度場如圖5所示，灰色部分為已凝固區(qū)域。顯然鑄件熱節(jié)位于中心位置，鑄件呈現(xiàn)由四周向中心凝固的順序。但在凝固后期，鑄件中心部位出現(xiàn)孤立的熔池區(qū)，球鐵凝固過程中既有液態(tài)收縮，也有共晶石墨化析出時的膨脹，但其膨脹量不可能完全補(bǔ)償收縮量[9]，因此鑄件中心處孤立的熔池區(qū)因得不到繼續(xù)補(bǔ)縮，容易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷?；跉堄嗳垠w模數(shù)的概率缺陷參數(shù)分析如圖6所示，圖中彩色部分均為缺陷，顯然鑄件中心部位存在明顯縮松縮孔缺陷，這與凝固順序分析結(jié)論一致。

圖5 初始鑄造工藝方案凝固過程（凝固98.2%時）

圖6 初始工藝缺陷預(yù)測

4 鑄造工藝方案優(yōu)化

實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，對球磨鑄鐵的汽車零配件中的安全件，受實際生產(chǎn)制程波動的影響，應(yīng)用均衡凝固理論，縮松穩(wěn)定性差。汽車安全件要求實現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品零縮松，不合格件將直接導(dǎo)致召回，故本次工藝優(yōu)化仍以實現(xiàn)順序凝固為主要設(shè)計優(yōu)化思路，在實現(xiàn)順序凝固的基礎(chǔ)上再考慮通過調(diào)整冒口數(shù)量與布局提高工藝出品率。

4.1 第一次工藝改進(jìn)

初始鑄造方案數(shù)值模擬結(jié)果顯示存在孤立熔池區(qū)，會有顯著的鑄造缺陷，其本質(zhì)原因在于鑄件熱節(jié)，為此配置冷鐵進(jìn)行工藝優(yōu)化，起到改變鑄件熱節(jié)的作用。經(jīng)反復(fù)試驗計算，配置長度為55 mm冷鐵，位置為鑄件中心位置，冷鐵弧面部分與鑄造模具部分相同，具體如圖7中1、2、3、4處所示。

圖7 冷鐵位置示意

圖8 是經(jīng)冷鐵工藝優(yōu)化后的凝固順序圖。澆道先于冒口凝固，防止冒口中金屬液回流，有利于冒口補(bǔ)縮。由于冷鐵的激冷作用，鑄件熱節(jié)發(fā)生了明顯的改變，鑄件中心部位最先凝固，然后由中心向兩側(cè)冒口處凝固，最后凝固部位在冒口處，整個凝固過程得到了雙側(cè)冒口的良好補(bǔ)縮?；跉堄嗳垠w模數(shù)的概率缺陷參數(shù)分析如圖9所示，缺陷部位均位于澆道和冒口中，鑄件本體沒有缺陷，因此經(jīng)過冷鐵工藝優(yōu)化后，本工藝方案可以得到致密性合格的產(chǎn)品。

圖8 第一次優(yōu)化后凝固順序

圖9 第一次優(yōu)化后缺陷預(yù)測

4.2 第二次工藝改進(jìn)

經(jīng)過冷鐵工藝優(yōu)化后，以上六冒口雙側(cè)補(bǔ)縮方案雖然補(bǔ)縮效果好，能保證產(chǎn)品致密性質(zhì)量要求，但出品率相對較低。為此，在保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下進(jìn)一步優(yōu)化以提高出品率。優(yōu)化方法是減少冒口，將六冒口雙側(cè)補(bǔ)縮改為兩冒口單側(cè)補(bǔ)縮。單側(cè)補(bǔ)縮時，一個冒口向兩邊兩個鑄件同時進(jìn)行補(bǔ)縮，希望的凝固順序顯然是由鑄件遠(yuǎn)離冒口的一側(cè)向靠近冒口的一側(cè)凝固。與前一方案由于雙側(cè)冒口對稱而讓冷鐵布置在中心位置不同，此次冷鐵位置應(yīng)向遠(yuǎn)離冒口的一側(cè)偏移，相應(yīng)熱節(jié)位置則會向冒口側(cè)偏移，這樣方可實現(xiàn)期望的凝固順序，經(jīng)反復(fù)試驗取冷鐵遠(yuǎn)離冒口的端面與鑄件遠(yuǎn)離冒口的端面距離25 mm為適宜冷鐵位置，設(shè)計的鑄造工藝方案如圖10所示。

圖10 二次優(yōu)化鑄造工藝方案

二次優(yōu)化后的凝固順序動畫顯示，鑄件呈現(xiàn)從遠(yuǎn)離冒口的一側(cè)向靠近冒口一側(cè)的凝固順序，圖11是選取某個剖面的觀察的凝固順序圖，與之前對熱節(jié)的預(yù)測是一致的，鑄件最終凝固在冒口中，整個凝固過程冒口實現(xiàn)了良好補(bǔ)縮，實現(xiàn)了順序凝固，保證了鑄件內(nèi)部無縮孔縮松缺陷?；跉堄嗳垠w模數(shù)的概率缺陷參數(shù)分析如圖12所示，缺陷部位均位于澆道和冒口中，鑄件本體沒有缺陷，與凝固順序分析結(jié)論一致。

圖11 二次優(yōu)化后凝固順序

圖12 二次工藝優(yōu)化后缺陷預(yù)測

將六冒口雙側(cè)補(bǔ)縮優(yōu)化為兩冒口單側(cè)補(bǔ)縮，只要合理布局冷鐵位置，數(shù)值模擬結(jié)果顯示同樣能夠保證鑄件致密無缺陷。但冒口數(shù)量的減少，出品率有明顯提升，表2給出了兩種方案的具體工藝出品率，二次優(yōu)化將工藝出品率提高了20.12%。

表2 工藝出品率對比

5 生產(chǎn)試制

對六冒口雙側(cè)補(bǔ)縮方案（方案二）和兩冒口單側(cè)補(bǔ)縮方案（方案三）均進(jìn)行了樣品試制。檢測結(jié)果表明鑄件內(nèi)部組織致密，無縮孔、縮松和超標(biāo)缺陷顯示，鑄件質(zhì)量均符合要求，試制結(jié)果與鑄造工藝數(shù)值模擬結(jié)果是一致的。根據(jù)試制結(jié)果，選擇更高工藝出品率的方案三作為量產(chǎn)生產(chǎn)工藝方案。

6 結(jié)語

（1）使用Anycasting鑄造模擬軟件分析了發(fā)動機(jī)主軸承蓋連體鑄件砂型鑄造原始方案的充型與凝固過程，并預(yù)測了鑄件中出現(xiàn)縮松縮孔的位置。

（2）通過冷鐵工藝優(yōu)化，在鑄造模擬中實現(xiàn)了鑄件的順序凝固，消除了縮松縮孔等鑄造缺陷。

（3）通過對冒口布局與數(shù)量的優(yōu)化，實現(xiàn)既能保證鑄件致密性要求，同時將工藝出品率提高了20.12%。生產(chǎn)試制并對試制件進(jìn)行X射線檢測證明數(shù)值模擬結(jié)果可靠，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果選擇的量產(chǎn)方案可行。