董 帥,趙忠興,符和鋒,李立安,陳永志

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

渦輪增壓發(fā)動機(jī)已在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但一直未解決渦輪增壓器壽命與發(fā)動機(jī)壽命同步的問題[1]。鋁合金葉輪是渦輪增壓器中易磨損失效的零件，因此改善葉輪的鑄造組織，提高力學(xué)性能是解決渦輪增壓器過早失效的關(guān)鍵之一[2]。目前對鋁合金葉輪低壓鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行定量優(yōu)化的文獻(xiàn)較少[3-4]，基于ProCAST的仿真模擬過程多采用MeshCAST對鑄件和鑄型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分[5-6]。本文利用鑄造模擬軟件ProCAST對低壓鑄造工藝中的澆注溫度、模具預(yù)熱溫度和壓力-時間參數(shù)進(jìn)行定量設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用UG仿真模塊劃分有限元網(wǎng)格。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及鑄型設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)三坐標(biāo)測量儀測得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫，在UG NX8.0中設(shè)計(jì)葉輪的三維造型，如圖1所示。葉輪的最大高度為45.0mm，最大直徑為99.0mm，軸心孔直徑為8.0mm，7組大小相間分布的葉片，葉片根部厚度約3mm，葉片邊緣厚度不足1mm，表面精度要求較高，公差等級小于IT6。

圖1 零件的CAD圖

1.2 鑄型設(shè)計(jì)和材料選取

根據(jù)葉輪的特點(diǎn)和低壓鑄造的工藝要求，葉輪鑄件和鑄型的三維造型如圖2所示。左側(cè)為上模冷鐵，中間為鑄件，右側(cè)為石膏型下模，分型面位于鑄件的最大橫截面處。在分型面上設(shè)計(jì)六道U型排氣槽。

圖2 鑄件和鑄型的CAD圖

鑄件采用ZL105A合金，ZL105A鋁合金具有較好的綜合力學(xué)性能，切削加工性能較好，適用于形狀復(fù)雜的薄壁鑄件[7]。下模采用石膏型，保溫能力較好，表面光潔度高，熱膨脹系數(shù)小，適用于尺寸精度高的鑄件。上模具采用HT200灰鑄鐵，灰鑄鐵的導(dǎo)熱性能比蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵好[8]。

2 數(shù)值模擬前處理

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

四面體有限元網(wǎng)格的劃分是影響ProCAST模擬效率的難題[9]。利用UG的高級仿真模塊，選用IDEAS提供的單元劃分工具，能快速對鑄件和鑄型進(jìn)行四面體網(wǎng)格的劃分，通過了MeshCAST檢驗(yàn)，其網(wǎng)格質(zhì)量較MeshCAST劃分的網(wǎng)格更高。根據(jù)以上方法獲得的四面體網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 鑄件和鑄型的體網(wǎng)格裝配圖

2.2 邊界條件設(shè)定

在ProCAST中進(jìn)行材料域賦值，重力設(shè)置，石膏表面設(shè)置空氣冷卻，冷鐵處設(shè)置水冷，在澆口處設(shè)置熱源，各處的界面換熱系數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 界面換熱系數(shù) W/m2·K

3 設(shè)定澆注工藝參數(shù)

3.1 設(shè)定澆注溫度和模具預(yù)熱溫度

低壓鑄造的澆注溫度設(shè)定原則是保證鑄件成型的條件下盡量降低溫度，以減少金屬液體的吸氣和收縮。低壓鑄造中的鋁合金液體充型能力比重力鑄造高[10]，其澆注溫度可比重力鑄造低10～20℃，設(shè)定澆注溫度680℃。

模具預(yù)熱溫度高有利于金屬液的充型，但會影響金屬液的凝固過程[11]。對葉輪這樣的薄壁復(fù)雜件，葉片位置易出現(xiàn)充型不足，石膏模預(yù)熱溫度應(yīng)稍高。冷鐵的作用是使鑄件由上而下順序凝固，預(yù)熱溫度應(yīng)比石膏模低50℃左右[12]。綜上所述石膏模的預(yù)熱溫度設(shè)置在225℃，鑄鐵模預(yù)熱溫度設(shè)置在175℃。

3.2 設(shè)定壓力-時間參數(shù)

低壓鑄造的壓力-時間曲線，包括升液-充型-增壓-保壓-泄壓五個階段，如圖4表示。

圖4 壓力-時間曲線

升液階段的升液壓力P1、充型階段的充型壓力P2均可根據(jù)帕斯卡原理[13]求出

P=H·ρ·u×10-5

(1)

式中：P為加壓壓力，MPa；H為保溫爐液面到所在位置的高度差，m；ρ為鋁合金液體的密度，kg/m3；u為阻力系數(shù)，通常取1.1～1.5。

增壓壓力P3依工藝要求而定，一般為0.10～0.15MPa，這里取0.15MPa。

綜上所述，壓力-時間參數(shù)初始設(shè)置值如表2所示。

表2 設(shè)定的壓力-時間參數(shù)

4 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

4.1 對設(shè)定的工藝參數(shù)的模擬

設(shè)定澆注溫度為680℃，石膏模的預(yù)熱溫度為225℃，冷鐵的預(yù)熱溫度為175℃，壓力-時間參數(shù)如表2所示。經(jīng)過ProCAST仿真模擬后，在VisualCAST中觀察鑄件各部分充型時間分布、凝固時間分布分別如圖5、圖6所示。

圖5 充型時間分布

圖6 凝固時間分布

由圖5可以看出鋁合金液上升的液面并不平穩(wěn)，在0.17s出現(xiàn)泉狀，0.511s時發(fā)生劇烈波動。整個鑄件的充型時間是0.567s，說明設(shè)定的充型時間不足。

由圖6中可以看出鑄件由上而下順序凝固，澆口位置最后凝固。說明澆口能在整個凝固過程中起補(bǔ)縮作用，石膏模和冷鐵的預(yù)熱溫度合理。模擬結(jié)果顯示鑄件全部凝固的時間為112.93s，表明表2中設(shè)定的保壓時間不足。

4.2 對優(yōu)化工藝參數(shù)的數(shù)值模擬

修改充型階段時間為1s、2s、4s，保壓時間延長至120s，進(jìn)行三組模擬試驗(yàn)。對模擬的充型結(jié)果進(jìn)行觀察，充型時間1s的充型過程較為平穩(wěn)，排氣槽位置最后充滿，有利于排氣；充型時間3s和4s的充型狀態(tài)更平穩(wěn)，但最后充滿的部位在型腔頂部，氣體不易排出。

因此充型時間為1s的充型狀態(tài)最好，其充型過程中不同時刻的充型狀態(tài)如圖7所示，凝固后的縮松分布如圖8所示。

圖7 不同時刻的充型狀態(tài)

圖8 縮松體積分布圖

由圖8可以看出，葉輪的鑄件在優(yōu)化后的縮松體積分?jǐn)?shù)在0.80%以下，沒有宏觀缺陷，符合葉輪的鑄造組織要求。

5 產(chǎn)品試鑄和檢測

將上述優(yōu)化的工藝參數(shù)交工廠試鑄，實(shí)際澆注鑄件如圖9所示，鑄件成型完整，葉片表面精度符合IT6公差要求。經(jīng)超聲波檢測，縮松很小，且分布均勻，無大的內(nèi)部缺陷，與數(shù)值模擬結(jié)果相符。

圖9 試鑄的毛坯件

6 結(jié)論

綜上所述，此型號鋁合金葉輪的低壓鑄造工藝參數(shù)為：澆注溫度680℃；石膏模具的預(yù)熱溫度225℃；冷鐵的預(yù)熱溫度175℃；升液階段取0.005MPa；充型階段壓力為0.01MPa，時間為1s；增壓壓力0.05MPa，時間為4s；保壓壓力0.05MPa，時間為120s；泄壓4s。

ProCAST數(shù)值模擬中采用UG高級仿真模塊劃分的有限元網(wǎng)格，可提高模擬效率；利用公式計(jì)算和ProCAST仿真模擬對鋁合金葉輪的低壓鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行定量優(yōu)化是可行的。

[1] 趙俊生，馬朝臣，胡遼平.車用渦輪增壓器葉輪破裂轉(zhuǎn)速的彈塑性數(shù)值分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(1):46-49.

[2] 趙付舟.車用發(fā)動機(jī)混合渦輪增壓系統(tǒng)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[3] 康道安，楊屹，吳敏，等.鋁合金鑄造充型凝固數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].熱加工工藝，2008，37(23):109-113.

[4] 王瑩瑩.鋁合金葉輪低壓鑄造模具設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[5] 劉力群.渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪的逆向工程及有限元分析[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[6] 紀(jì)小剛.增壓器葉輪逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[7] 趙慧，趙忠興，侯偉，等.熱處理次數(shù)對ZL105A合金組織和力學(xué)性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2013，33(5):488-490.

[8] 肖麗麗.低成本易切削發(fā)動機(jī)缸體用灰鑄鐵材料研究[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2012.

[9] 王元慶，劉靜，陳強(qiáng)，等.ProCAST軟件在大型復(fù)雜鋁合金鑄件上的應(yīng)用[J].特種鑄造及有色合金，2011，31(11):1024-1027.

[10]張清，陳玉平.鋁合金石膏型低壓鑄造工藝規(guī)程的研究與應(yīng)用[J].熱加工工藝，2007，36(17):27-29.

[11]廖海洪，梁敏潔，程軍.鋁合金低壓鑄造澆注系統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)[J].稀有金屬，2006，30(s1):43-46.

[12]田磊.水龍頭本體低壓鑄造數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化[D].廈門：集美大學(xué)，2012.

[13]范金龍.低壓鑄造液面加壓控制[D].長春：吉林大學(xué)，2011.