李繼超，邢長健，孫玉成，馮月雪，劉慶義，張之嶺，陳海東

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061；3.濰柴（濰坊）材料成型制造中心有限公司，山東濰坊 261199）

氣缸蓋是柴油發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件，在氣缸蓋毛坯砂型鑄造生產(chǎn)過程中，下水夾層芯基本被金屬液所包裹，為提高砂芯強(qiáng)度、減小發(fā)氣量，采用熱芯盒覆膜砂，以防止斷芯和熱變形[1，2]。某型號柴油發(fā)動機(jī)氣缸蓋下水夾層芯在制芯時存在由于芯盒溫度分布不均勻?qū)е律靶揪植窟^熱焦化，而砂芯成型質(zhì)量差往往會產(chǎn)生斷芯、披縫、粘砂等一系列的鑄造缺陷，影響產(chǎn)品交付[3，4]。

隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，CAE 技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。目前，利用一些較為成熟的商用軟件不僅可以對鑄造過程中的流場、溫度場以及應(yīng)力變形等進(jìn)行仿真計算[5]，對于砂型鑄造中的射砂、制芯過程也可以進(jìn)行仿真，并實現(xiàn)分析和預(yù)測鑄件、砂芯缺陷，從而進(jìn)行鑄造工藝的優(yōu)化。

1 研究方案

1.1 仿真模型及工藝參數(shù)

在生產(chǎn)過程中采用雙工位的制芯機(jī)進(jìn)行制芯，兩側(cè)制芯參數(shù)一致，因此在仿真及測量時選取一側(cè)芯盒進(jìn)行研究。仿真模型主要包括芯盒、加熱棒、射砂棒、排氣通道以及射砂通道等，如圖1 所示。

圖1 熱芯盒仿真三維模型

在網(wǎng)格劃分時，要兼顧計算精度與計算效率，對于重點區(qū)域采用較小尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行，非重點區(qū)域采用較大尺寸網(wǎng)格。各部分網(wǎng)格尺寸控制參數(shù)及網(wǎng)格劃分情況如表1、圖2 所示，網(wǎng)格總數(shù)為765 萬。

圖2 網(wǎng)格劃分情況

表1 各單元網(wǎng)格尺寸

其他模擬參數(shù)如射砂壓力、排氣塞尺寸、循環(huán)次數(shù)等，見表2。

表2 制芯工藝參數(shù)

圖3 射砂壓力

1.2 熱芯盒溫度采集

為驗證仿真結(jié)果的可靠性，從模面選擇幾個典型位置進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集[6，7]。該氣缸蓋下水夾層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在選取測量位置時應(yīng)兼顧高溫區(qū)、低溫區(qū)并靠近復(fù)雜曲面的原則，共選取9 個測量點，如圖4 所示。溫度測量結(jié)果易受測量設(shè)備本身誤差、環(huán)境干擾、人為等因素影響，為減小測量誤差，采用非接觸式的熱成像儀對熱芯盒模面溫度分布進(jìn)行測量，同時利用接觸式熱電偶對熱成像測量結(jié)果進(jìn)行校對。測量設(shè)備及技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 測量設(shè)備及參數(shù)

圖4 模面測溫點

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度場仿真結(jié)果

在給定的制芯工藝參數(shù)下，芯盒溫度場仿真結(jié)果如圖5 所示。模面溫度整體呈現(xiàn)出中心位置最高，由內(nèi)向外溫度逐漸減小的分布規(guī)律，模面中心位置溫度達(dá)330℃。這一分布規(guī)律說明芯盒中三個砂芯的加熱溫度并不相同，中心處的砂芯所受溫度最高，兩側(cè)砂芯所受溫度相對較低。

圖5 芯盒溫度場測量和仿真結(jié)果

對1.2 節(jié)中的9 個測溫點進(jìn)行仿真結(jié)果的溫度值提取，結(jié)果如表4 所示。

表4 仿真結(jié)果溫度

2.2 溫度場測量結(jié)果

在不同時間段共采集5 組數(shù)據(jù)，如圖6 所示。不同時間段采集的數(shù)據(jù)存在一定差異性，這主要受循環(huán)次數(shù)、環(huán)境溫度與現(xiàn)場工藝參數(shù)控制等諸多因素影響。但熱成像以及熱電偶在各測量點采集到的溫度變化趨勢與分布規(guī)律基本一致，測溫點3#為溫度最高點，測溫點6#為溫度最低點。

圖6 芯盒溫度場測量結(jié)果

為確保溫度測量結(jié)果的可靠性，將熱成像數(shù)據(jù)與熱電偶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，如圖7 所示。兩種測量方式采集到的數(shù)據(jù)偏差在±10℃以內(nèi)，偏差比值在±4%以內(nèi)?？紤]到測量設(shè)備本身的測量精度，所測溫度均位于合理范圍內(nèi)，即采集到的數(shù)據(jù)是可靠的。

圖7 芯盒溫度場測量結(jié)果

將5 組測量數(shù)據(jù)取均值與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖8 所示。9 個測量點的仿真數(shù)值與測量數(shù)值基本吻合。仿真數(shù)值與熱電偶的偏差最大值為9.16℃，最小值為0.46℃。利用仿真方法對芯盒溫度場進(jìn)行定量分析是可行的、可靠的。

圖8 測量結(jié)果與測量結(jié)果對比

2.3 固化時間對砂芯表面狀態(tài)影響

生產(chǎn)過程中，固化時間不同，同一砂芯剖截面厚大部位溫度較低，薄弱部位溫度較高，致使砂芯存在外觀色差現(xiàn)象。圖9 為采用熱芯盒生產(chǎn)的水夾層芯，其中左側(cè)為正常砂芯，右側(cè)為局部過熱焦化的砂芯。

圖9 水夾層正常砂芯（左）與局部過熱焦化砂芯（右）

表5 為不同固化時間對砂芯表面狀態(tài)及表面溫度場的影響情況。在制芯過程中，厚大部位跟薄弱部位要達(dá)到相同的固化層厚度所需要的熱量是不同的，厚大部位需要的熱量要比薄弱部位多。即使在芯盒溫度不變的情況下，溫度達(dá)到一閾值時較薄弱的位置更易發(fā)生焦化現(xiàn)象，薄弱部位溫度過高導(dǎo)致了水夾層芯局部焦化。

表5 水夾層芯不同固化時間對砂芯表面狀態(tài)及表面溫度場影響

圖10 為不同固化時間的水夾層芯各特征點實測溫度與計算溫度對比情況。當(dāng)砂芯固化時間由20s 延長至60s 時，砂芯表面實測溫度高于215℃，計算溫度高于230℃時，外表面呈現(xiàn)出局部過熱焦化現(xiàn)象。

圖10 不同固化時間的水夾層芯各特征點實測溫度與計算溫度對比

3 結(jié)論

通過接觸式熱電偶、非接觸式紅外熱成像儀對熱芯盒溫度場仿真結(jié)果進(jìn)行了標(biāo)定，并分析了砂芯固化時間對砂芯不同壁厚區(qū)域局部過熱焦化的影響，小結(jié)如下：

（1）計算分析溫度與熱電偶測量溫度的偏差最大值為9.16℃，最小值為0.46℃，兩種測量方式采集到的數(shù)據(jù)偏差在±10℃以內(nèi)，偏差比值在±4%以內(nèi)。利用計算分析方法對熱芯盒溫度場進(jìn)行仿真的方法是可行的。

（2）計算分析了芯盒表面溫度場分布不均情況，厚大部位溫度較低，薄弱部位溫度較高，實際測量砂芯溫度場分布和計算仿真溫度場分布吻合良好。

（3）砂芯表面實測溫度高于215℃，計算溫度高于230℃時，砂芯外表面局部呈現(xiàn)出過熱焦化現(xiàn)象。此可應(yīng)用于對熱芯盒溫度場仿真分析，可以為砂芯局部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、芯盒結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、加熱棒的布置優(yōu)化提供數(shù)據(jù)及理論支撐。