秦文真，趙 軍，李安海,2

(1 山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250061；2 山東濱州渤海活塞股份有限公司，山東 濱州 256602)

鋁合金活塞鑄造過(guò)程中模具易失效區(qū)域預(yù)測(cè)

秦文真1，趙 軍1，李安海1,2

(1 山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250061；2 山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?，山東 濱州 256602)

采用ProCAST軟件對(duì)鋁合金活塞澆鑄過(guò)程中模具的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真。根據(jù)熱、應(yīng)力場(chǎng)仿真結(jié)果，預(yù)測(cè)活塞模具的易失效區(qū)域，通過(guò)與實(shí)際失效結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果中易失效區(qū)域位置與實(shí)際模具失效區(qū)域位置相吻合；并通過(guò)研究不同模具預(yù)熱溫度對(duì)澆鑄過(guò)程中模具熱應(yīng)力場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)提高模具的初始預(yù)熱溫度，可以有效降低澆鑄過(guò)程中模具型腔表面所受的熱應(yīng)力，從而有助于模具壽命的提高。

鋁合金活塞模具；溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)；易失效區(qū)域；模具預(yù)熱溫度

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，承受著交變的機(jī)械載荷和熱載荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一。要想獲得優(yōu)質(zhì)活塞產(chǎn)品，活塞的澆鑄工藝和活塞模具的壽命及穩(wěn)定性尤為重要[1]鋁合金鑄造模具的失效受許多因素的影響，其中長(zhǎng)期承受循環(huán)的熱沖擊和交變熱應(yīng)力是主要因素[2,3]。在鋁合金活塞澆鑄過(guò)程中，由于高溫的液態(tài)鋁合金對(duì)模具型腔和型芯表面的反復(fù)沖刷，使其表面溫度不斷升高，模具內(nèi)部溫度分布不均勻，導(dǎo)致模具型腔和型芯表面產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；周期性的溫度變化使模具內(nèi)表面產(chǎn)生周期性的熱膨脹、收縮及熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致熱疲勞失效[4-6]，進(jìn)而影響鑄件的質(zhì)量和模具的使用壽命[7]。

為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、保證鑄件品質(zhì)、提高模具使用壽命，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)不同模具結(jié)構(gòu)和鑄造工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬的方法已經(jīng)廣泛用于模具的設(shè)計(jì)之中[8,9]。1997年，Davey等[10]便已經(jīng)用邊界和有限元法對(duì)壓鑄過(guò)程進(jìn)行建模，并對(duì)壓鑄過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)。清華大學(xué)柳百成教授研究鑄造模擬較早[11]，并且通過(guò)兩個(gè)不同模型來(lái)分析鑄造過(guò)程的兩個(gè)不同階段，研究了熱應(yīng)力的發(fā)展過(guò)程及熱裂紋的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)仿真與實(shí)際結(jié)果基本一致[4]。隨著鑄造仿真技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。Aveson等[12]利用ProCAST軟件研究了單晶鎳基高溫合金鑄造過(guò)程中線狀缺陷的起因，得出了高壓力是線狀缺陷產(chǎn)生的主要原因。Lu等[13]基于ProCAST軟件研究了發(fā)動(dòng)機(jī)濕式缸套的離心鑄造過(guò)程，并且通過(guò)優(yōu)化澆鑄工藝減少了鑄造缺陷的出現(xiàn)。Li等[14]對(duì) WE54鎂合金的砂型鑄造過(guò)程進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了Niyama判據(jù)在預(yù)測(cè)WE54鎂合金鑄造過(guò)程中縮松產(chǎn)生的有效性。

本工作針對(duì)鋁合金活塞，采用ProCAST軟件對(duì)澆鑄過(guò)程中模具的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，觀察其溫度場(chǎng)的變化，并根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果，對(duì)模具易失效區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，為模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。此外，通過(guò)研究不同模具初始預(yù)熱溫度對(duì)模具應(yīng)力場(chǎng)的影響，為提高模具的使用壽命提供參考。

1 模擬方法與條件

1.1 熱應(yīng)力模擬的假設(shè)

鑄件在凝固過(guò)程中，存在著熱力耦合的作用。在鑄造數(shù)值模擬計(jì)算中，廣泛采用熱彈塑性模型計(jì)算熱應(yīng)力，該模型認(rèn)為材料屈服前為彈性，屈服后為塑性，并且當(dāng)材料接近熔點(diǎn)時(shí)，彈性模量與屈服應(yīng)力都變?yōu)?[15]。

鑄造成型過(guò)程熱應(yīng)力的數(shù)值模擬一般有以下4個(gè)假設(shè)：(1) 材料是連續(xù)的；(2) 將方程視為線性方程；(3) 假設(shè)材料為各向同性；(4) 將材料的非線性關(guān)系處理為線性。

1.2 初始條件及邊界條件的確定

本實(shí)驗(yàn)中，鋁合金活塞鑄造為重力鑄造，鑄件材料為ZL101A(A356)合金，模具均采用AISI H13鋼。表1[16]和表2[15]分別為鑄件與模具材料的化學(xué)成分。根據(jù)實(shí)際澆鑄工藝，鑄件澆注溫度設(shè)為720℃；模具預(yù)熱溫度分別設(shè)為100,150,200℃和250℃；環(huán)境空氣溫度為20℃。澆注速率為0.4kg/s，澆注時(shí)間約為7.2s。

取模具與外界環(huán)境之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10W/(m2·K)；鑄件和模具之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1500W/(m2·K)；模具分型面之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取1000W/(m2·K)；模具與冷卻水之間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1500W/(m2·K)。模具采用水冷，其余設(shè)為空冷。為模擬澆鑄過(guò)程中模具應(yīng)力場(chǎng)的變化趨勢(shì)，將模具在X，Y，Z三個(gè)方向的位移偏移量均設(shè)為0。

表1 ZL101A化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)[16]

表2 H13化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)[15]

1.3 有限元模型的建立

鋁合金活塞的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，為圓柱形結(jié)構(gòu)，有銷孔和偏心燃燒室，內(nèi)部有一不規(guī)則曲面的空腔，其頭部及銷座壁厚大，裙部壁較薄，高度與直徑比值大于1，兩銷孔周圍的結(jié)構(gòu)給鑄造帶來(lái)難度。在鑄造過(guò)程中不可能一次性把活塞的所有結(jié)構(gòu)鑄造出來(lái)，因此有必要先對(duì)活塞零件圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，以適應(yīng)鑄造工藝，活塞零件圖及簡(jiǎn)化后的活塞鑄件圖如圖1所示。

圖1 活塞及活塞簡(jiǎn)化模型Fig.1 Piston and the simplified model

采用UG對(duì)鋁合金活塞進(jìn)行澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行分模處理，得到模具的型腔及型芯，如圖2所示；將鑄件及模具模型以Parsolid格式導(dǎo)入ProCAST中的Meshing模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完之后進(jìn)入ProCAST模塊中進(jìn)行初始、邊界及模擬條件的設(shè)置，對(duì)澆鑄過(guò)程進(jìn)行模擬。

圖2 鑄件及模具三維實(shí)體模型Fig.2 Casting and 3-D model of the mould

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

由于鋁合金活塞模具為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此取型腔的一半和型芯進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。圖3和圖4分別為模具預(yù)熱溫度為150℃時(shí)鑄造過(guò)程中模具型腔和型芯表面的溫度場(chǎng)變化。從圖中可以看出，在活塞澆鑄過(guò)程中，當(dāng)金屬液倒入模具，金屬液便即刻與模具發(fā)生劇烈的熱交換作用。在內(nèi)澆道與型腔連接部位，由于與金屬液的持續(xù)接觸及不斷沖刷，使該處溫度在極短時(shí)間內(nèi)便達(dá)到很高的溫度，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；隨著金屬液的進(jìn)入，模具型腔內(nèi)表面溫度也不斷升高，在充型完畢時(shí)整個(gè)型腔已具有較高的溫度，但隨著凝固過(guò)程的繼續(xù)，型腔內(nèi)部溫度持續(xù)升高，尤其是在與活塞厚大頂部接觸部位，由于該處聚集著大量金屬液，所以在該處溫度在凝固過(guò)程中達(dá)到最大；對(duì)于模具型芯，在受到金屬液沖擊的表面，溫度迅速升高，并保持較長(zhǎng)時(shí)間，隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，由于型芯頂部結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，且與活塞厚大頂部接觸，所以該處溫度達(dá)到最大。此后，隨著時(shí)間的推移，金屬液的凝固、冷卻，模具型腔及型芯的溫度也逐漸降低。

圖3 模具型腔溫度場(chǎng)分布圖 (a)1s；(b)3s;(c)5s;(d)9s;(e)21s;(f)45s;(g)107s;(h)235s Fig.3 Temperature field distribution of the mould cavity (a)1s；(b)3s;(c)5s;(d)9s;(e)21s;(f)45s;(g)107s;(h)235s

圖4 模具型芯溫度場(chǎng)分布圖 (a)1s；(b)3s;(c)5s;(d)9s;(e)21s;(f)45s;(g)107s;(h)235sFig.4 Temperature field distribution of the mould core (a)1s；(b)3s;(c)5s;(d)9s;(e)21s;(f)45s;(g)107s;(h)235s

2.2 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果及模具易失效區(qū)域預(yù)測(cè)

模具熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于當(dāng)高溫鋁合金溶液澆入模具時(shí)，模具內(nèi)表面受到劇烈的熱沖擊，使內(nèi)表面溫度迅速升高，但由于模具本身的熱阻，熱量來(lái)不及向外傳遞，于是在模具內(nèi)部形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于模具長(zhǎng)期受到循環(huán)的交變應(yīng)力的作用，疲勞裂紋便會(huì)在應(yīng)力集中部位開(kāi)始萌生。隨著循環(huán)的持續(xù)，疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，便會(huì)導(dǎo)致模具表面的疲勞失效。

圖5分別為模具型腔在36.5s和模具型芯在17.7s時(shí)的熱應(yīng)力場(chǎng)分布。此時(shí)模具型腔和型芯的熱應(yīng)力值達(dá)到最大值。由圖5(a)可以看出，對(duì)于模具型腔，最大熱應(yīng)力區(qū)域分布在與活塞厚大頂部接觸部位，由于此處溫度高，溫度梯度大，因此熱應(yīng)力大，在銷孔型芯與型腔過(guò)渡處，由于結(jié)構(gòu)的變化，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，也即此處容易萌生熱疲勞裂紋，因此，銷孔型芯上部與型腔接觸區(qū)為易失效區(qū)域，如圖5(a)中紅線所標(biāo)區(qū)域；對(duì)于模具型芯，最大應(yīng)力集中在如圖5(b)中紅線所示的兩個(gè)區(qū)域，該處結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，有圓弧過(guò)渡，容易引起應(yīng)力集中，在循環(huán)澆鑄過(guò)程中容易促使疲勞裂紋的萌生，導(dǎo)致疲勞失效。

圖6所示為在某活塞廠拍攝的鋁合金活塞模具實(shí)際失效情況，由圖可以看出，雖然實(shí)際模具結(jié)構(gòu)與仿真模型結(jié)構(gòu)稍微有所不同，但是疲勞裂紋都是在銷孔型芯和型腔過(guò)渡區(qū)開(kāi)始萌生；對(duì)于模具型芯，疲勞裂紋也是在型芯上下兩處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生，與仿真失效預(yù)測(cè)區(qū)域相吻合。

2.3 模具預(yù)熱溫度對(duì)模具熱應(yīng)力場(chǎng)的影響

澆鑄過(guò)程中的模具預(yù)熱溫度，對(duì)鑄件的質(zhì)量及模具的壽命有著重要的影響，合適的預(yù)熱溫度不僅有助于提高鑄件的品質(zhì)，而且可以延長(zhǎng)模具的使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益[6]。本工作針對(duì)鋁合金活塞模具的易失效區(qū)域，如圖5所示，在各區(qū)域中分別取一點(diǎn)，即A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)，研究模具初始預(yù)熱溫度分別為100，150，200，250℃時(shí)的熱應(yīng)力變化。

圖7分別為易失效區(qū)域內(nèi)的三點(diǎn)在不同模具初始

圖5 模具熱應(yīng)力場(chǎng)分布 (a)36.5s時(shí)型腔應(yīng)力場(chǎng)分布；(b)17.7s時(shí)型芯應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.5 Stress field distribution of the mold (a)stress field distribution of the cavity when 36.5s；(b)stress field distribution of the mould core when 17.7s

預(yù)熱溫度下的熱應(yīng)力變化。由圖可以看出，模具的預(yù)熱溫度與模具所受熱應(yīng)力直接相關(guān)。隨著模具預(yù)熱溫度的升高，各點(diǎn)所受熱應(yīng)力值均減小，且各點(diǎn)應(yīng)力最大值顯著下降。這是由于當(dāng)模具預(yù)熱溫度升高時(shí)，澆鑄過(guò)程中模具內(nèi)表面溫度梯度減小，從而使表層所受熱應(yīng)力減小。由于提高模具預(yù)熱溫度可能會(huì)影響鑄件質(zhì)量并且增加相應(yīng)的能源消耗，因此，在保證鑄件質(zhì)量及能源利用的前提下，盡量提高模具的預(yù)熱溫度，有助于延長(zhǎng)模具的使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)澆鑄過(guò)程中鋁合金活塞模具溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，可以發(fā)現(xiàn)模具溫度隨著時(shí)間的變化而變化，并且與活塞厚大頂部接觸部位溫度較高，且在鑄件凝固過(guò)程中達(dá)到最大值。

(2)通過(guò)對(duì)澆鑄過(guò)程中鋁合金活塞模具應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真，可以觀察到模具型腔和型芯所受熱應(yīng)力分別在凝固過(guò)程中的不同時(shí)刻達(dá)到最大值。根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分布，對(duì)模具易失效區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際失效情況相吻合。

(3)不同的模具預(yù)熱溫度對(duì)模具型腔及型芯表面應(yīng)力場(chǎng)有著重要的影響，預(yù)熱溫度越高，模具表面所受的熱應(yīng)力值越小。

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(本文責(zé)編：解 宏)

Prediction of Prone to Failure Area of Mould in Casting Process of Aluminum Alloy Piston

QIN Wen-zhen1,ZHAO Jun1,LI An-hai1,2

(1 Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture (Ministry of Education),School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061,China; 2 Shandong Binzhou Bohai Piston Co., Ltd., Binzhou 256602,Shandong,China)

The temperature and stress field of aluminum alloy piston mould in gravity casting has been simulated with FEM software ProCAST, and makes a prediction on area prone to failure of the mould and the results are consistent with the actual mold failure area. In addition, the influence of different mould preheating temperature on the stress field was investigated, and the result shows that increasing the mould preheating temperature can effectively reduce the thermal stress on the cavity surface of mould during casting, and therefore helps to improve the mould life.

aluminum alloy piston mould; temperature field; stress field; prone to failure area; mould preheating temperature

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000963

TG249.3

A

1001-4381(2017)02-0060-05

山東省科技發(fā)展計(jì)劃(2014GGX103041)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(BS2014ZZ008)

2015-08-05；

2016-03-05

趙軍(1967-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事高效加工及數(shù)控刀具材料技術(shù)研究，聯(lián)系地址：山東省濟(jì)南市經(jīng)十路17923號(hào)山東大學(xué)千佛山校區(qū)機(jī)械工程學(xué)院(250061)，E-mail：zhaojun@sdu.edu.cn