■ 高 超，楊 齊

我公司某型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體產(chǎn)品返修率約30%，長期以來居高不下，主要問題是澆注上頂面產(chǎn)生的氣孔、氣疤缺陷（見圖1）。為進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低返修成本，需對(duì)產(chǎn)生此問題的原因進(jìn)行分析。

本文通過對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體產(chǎn)品的鑄造過程數(shù)值模擬，分析并預(yù)測產(chǎn)生氣孔、氣疤的原因，為下一步工藝改進(jìn)提供參考。

1. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

該產(chǎn)品為典型的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，其基本尺寸為1146mm×598mm×542mm，理論重量約400kg，主要壁厚約10mm，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2. 澆注系統(tǒng)

該產(chǎn)品澆注系統(tǒng)采用雙層澆道，鐵液由第一層直澆道進(jìn)入，由第一層橫澆道往兩邊流動(dòng)，再經(jīng)第二層兩個(gè)直澆道至第二層橫澆道，經(jīng)兩層橫澆道的7個(gè)內(nèi)澆道底注進(jìn)入產(chǎn)品型腔充型；型腔內(nèi)液面升高，鐵液逐漸由第二層內(nèi)澆口流出，充型進(jìn)入產(chǎn)品型腔；鑄件上表面放置多個(gè)出氣針，方便排氣。產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)如圖3所示。

3. 鑄造工藝模擬

采用Procast軟件對(duì)產(chǎn)品鑄造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬。將產(chǎn)品、澆注系統(tǒng)、出氣針等三維模型導(dǎo)入ProCast軟件進(jìn)行前處理。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，體網(wǎng)格數(shù)量約369萬個(gè)。

在劃分好網(wǎng)格后，需對(duì)產(chǎn)品的材料及鑄造工藝參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。該產(chǎn)品材料為HT250，采用砂型鑄造，型砂材料為呋喃樹脂砂，澆注溫度為1405℃，型砂初始溫度為20℃，鑄件與型砂間的換熱系數(shù)取1000W/（m2·K），澆注時(shí)間為25s。

圖1 產(chǎn)品缺陷

圖2 產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)

圖3 產(chǎn)品澆注系統(tǒng)

4. 數(shù)值模擬結(jié)果

（1）充型過程 圖4為澆注過程中鑄件充型20%、40%、60%、80%時(shí)的情況。從圖中可以看出，鐵液在吊環(huán)一側(cè)首先充滿吊環(huán)，其余部分由內(nèi)澆道較平穩(wěn)地向前推進(jìn)，同時(shí)處于兩二層直澆道處的內(nèi)澆道開始流出鐵液，但由于壓力尚未建立，故該處流入型腔的趨勢(shì)較緩；之后，型腔內(nèi)部液面平穩(wěn)上升，充型約40%時(shí)，兩二層直澆道處的內(nèi)澆道開始向型腔內(nèi)充型，充型過程比較平穩(wěn)。

（2）氣孔、氣疤的預(yù)測及原因分析 為對(duì)產(chǎn)品型腔上表面出現(xiàn)的氣孔、氣疤進(jìn)行預(yù)測，此處對(duì)型腔頂面的充型過程做詳細(xì)分析。由圖5a～5f可知，在型腔頂面的充型過程中，出現(xiàn)了多個(gè)由鐵液包裹的區(qū)域，且該區(qū)域并未放置對(duì)應(yīng)的出氣針與型腔外界的大氣聯(lián)通，故該區(qū)域易憋氣并產(chǎn)生氣孔或氣疤，易產(chǎn)生氣疤的區(qū)域與實(shí)際生產(chǎn)情況一致（見圖1）。

由圖5可知，當(dāng)型腔由各檔軸承座平穩(wěn)充型上升至頂面時(shí)，由于頂面的限制，液面不能繼續(xù)上升；缸體兩端面也被限制，液面只能由兩端面往中間流動(dòng)；同時(shí)，各軸承檔充型至頂面時(shí)也被限制，從而液面由各軸承擋與頂面的連接處前端往兩邊擴(kuò)散；因此，在相鄰軸承檔中間將出現(xiàn)多個(gè)被液面包裹的區(qū)域，若這些區(qū)域不能與外界連通，順暢排氣，則極易形成憋氣，造成氣孔、氣疤的出現(xiàn)。

圖4 充型過程溫度場

圖5 氣孔、氣疤預(yù)測及原因分析

5. 結(jié)語

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)產(chǎn)品氣孔、氣疤的形成進(jìn)行預(yù)測及原因分析，結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況一致，可為后續(xù)產(chǎn)品工藝的改進(jìn)、質(zhì)量的提升、返修成本的降低提供支持。