胡清和,岳峰麗,黃 勇

(沈陽(yáng)理工大學(xué) a.汽車(chē)與交通學(xué)院;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

機(jī)油濾清器是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件,它位于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中。它的上游是機(jī)油泵,下游是發(fā)動(dòng)機(jī)中需要潤(rùn)滑的各零部件。機(jī)油濾清器支架則是濾清器的基本元件之一,它的質(zhì)量好壞對(duì)濾清器的性能至關(guān)重要。機(jī)油濾清器支架通常采用壓力鑄造工藝生產(chǎn)。壓力鑄造是一種將液態(tài)或半固態(tài)金屬在高壓下,以較高的速度填充入鑄模的型腔內(nèi),并使金屬或合金在壓力下凝固結(jié)晶形成鑄件的鑄造方法[1]。但如何減少壓鑄產(chǎn)生的鑄件缺陷,提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量是壓鑄生產(chǎn)的主要問(wèn)題。通常設(shè)計(jì)人員使用試模的方法完成對(duì)某種鑄造工藝的驗(yàn)證,但耗時(shí)長(zhǎng),成本高[2]。本文使用ProCast軟件,對(duì)濾清器進(jìn)行正交試驗(yàn)的數(shù)值模擬,通過(guò)分析模擬結(jié)果,確定出合理的壓鑄工藝參數(shù)并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,大大節(jié)省了人工試模的成本和時(shí)間。

1 濾清器支架工藝性分析及模擬前處理

1.1 濾清器支架工藝性分析

濾清器支架結(jié)構(gòu)尺寸為128mm×116mm×76mm,平均壁厚為3.93mm,最大壁厚為12.03mm。結(jié)構(gòu)不對(duì)稱并且復(fù)雜,濾清器支架內(nèi)部有兩兩相通的孔,為機(jī)油進(jìn)出濾清器的油道。根據(jù)濾清器支架的形狀及結(jié)構(gòu)特征,將澆注系統(tǒng)的澆注方式設(shè)計(jì)為扁平側(cè)澆口,設(shè)計(jì)兩個(gè)溢流槽來(lái)改善充型及排除氣體,分型面設(shè)計(jì)為多分型面,模具設(shè)計(jì)中需四個(gè)側(cè)抽芯。用Catia軟件進(jìn)行鑄件和模具的三維畫(huà)圖,圖1為濾清器支架三維造型圖。

圖1 濾清器支架三維圖

1.2 模擬前處理

濾清器支架材料為ZL104(ZAlSi9Mg)合金,密度為2.65g·cm3,模具材料為H13。模具外表面選擇空冷,模具與鑄件之間的換熱系數(shù)取2000W/(m2·K),選擇高壓鑄造。進(jìn)行面網(wǎng)格劃分時(shí),為了盡量減少模擬時(shí)間,在保證模擬精度的前提下,盡可能取大網(wǎng)格尺寸。在ProCast的mesh模塊畫(huà)網(wǎng)格,鑄件、澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)網(wǎng)格取2mm;模具外表面網(wǎng)格取10mm,畫(huà)出的鑄件網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 濾清器支架鑄件網(wǎng)格圖

2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的工藝參數(shù)

2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是研究多因素多水平的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。它根據(jù)正交性選擇具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),任何點(diǎn)出現(xiàn)的頻率相同,任何三個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)的順序不重復(fù),科學(xué)合理地節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。影響壓鑄件質(zhì)量的因素有很多,例如內(nèi)澆口的尺寸大小及模具預(yù)熱溫度、澆注溫度、壓射速度等工藝參數(shù)都對(duì)鑄件質(zhì)量有很大的影響[3]。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是為了獲得鑄件縮孔、縮松值和裹氣量較少的高質(zhì)量產(chǎn)品,且要盡量減少壓鑄時(shí)間。因此,選擇壓射速度(A)、模具預(yù)熱溫度(B)、澆注溫度(C)、內(nèi)澆口長(zhǎng)度(D)、內(nèi)澆口寬度(E)、內(nèi)澆口厚度(F)為因素,以充型時(shí)間(M)、凝固時(shí)間(N)、縮孔縮松量(K)及裹氣量(P)為指標(biāo)建立六因素三水平正交試驗(yàn)表。其中,縮孔、縮松量由平均體積百分比來(lái)表示[4]。表1為因素水平表,表2為正交試驗(yàn)結(jié)果表。

2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果,分析鑄件充型、鑄件凝固及鑄件縮孔、縮松值的情況,得到表3正交試驗(yàn)分析表。

表1 因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表

表3 正交試驗(yàn)分析表

鑄件充型分析:通過(guò)充型時(shí)間和充型指標(biāo)兩個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定各組工藝參數(shù)下充型過(guò)程的好壞。所謂充型指標(biāo)是對(duì)在壓力鑄造過(guò)程中的流動(dòng)狀態(tài):層流、紊流、裹氣、沖刷、澆不足等現(xiàn)象的綜合評(píng)價(jià)[5]。根據(jù)表3可知,壓射速度對(duì)鑄件充型時(shí)間和裹氣量的影響較為顯著,并且壓射速度越大,充型時(shí)間越少,而裹氣量越多。這是因?yàn)樵谕N情況下,壓射速度越大,金屬液體進(jìn)入內(nèi)澆口的速度越大,導(dǎo)致了鑄件的充型時(shí)間越少,金屬液卷入的氣體也會(huì)相對(duì)越多。

鑄件凝固分析:凝固過(guò)程的模擬主要是觀察和分析溫度的的變化與趨勢(shì)、凝固百分比、應(yīng)力場(chǎng)與微觀結(jié)構(gòu)等。并根據(jù)觀察到的現(xiàn)象,判斷出對(duì)鑄件缺陷影響最大的工藝參數(shù),以此優(yōu)化和改進(jìn)工藝[6],達(dá)到控制鋁合金濾清器支架鑄件質(zhì)量的目的。而分析表3可知,模具預(yù)熱溫度對(duì)凝固時(shí)間的影響最大,這是因?yàn)槟＞哳A(yù)熱溫度越高,金屬液的散熱速度就越慢,凝固時(shí)間也就越長(zhǎng)。

鑄件縮孔、縮松值分析:由表3可知,隨著壓射速度的增大,鑄件的縮孔、縮松值不斷增加,當(dāng)壓射速度為1.4m/s時(shí),鑄件的縮孔、縮松值最小;而隨著模具預(yù)熱溫度的升高,鑄件的縮孔、縮松值呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì),在預(yù)熱溫度為200℃時(shí),鑄件的縮孔、縮松值最小;隨著澆注溫度的升高,鑄件的縮孔、縮松值先減小后增大,在澆注溫度在650℃時(shí),鑄件縮孔、縮松值最小;內(nèi)澆口長(zhǎng)度越大,鑄件的縮孔、縮松也越多,內(nèi)澆口長(zhǎng)度為2mm時(shí),縮孔、縮松值最小。這是因?yàn)閮?nèi)澆口越長(zhǎng),內(nèi)澆口向型腔傳遞的壓力也會(huì)越小,降溫幅度也越大;適當(dāng)?shù)脑黾觾?nèi)澆口的厚度,有利于減少鑄件裹氣缺陷及補(bǔ)縮壓力的傳遞,有效的減少縮孔、縮松值,內(nèi)澆口的厚度為2.5mm時(shí),鑄件的縮孔、縮松值最小;內(nèi)澆口的寬度對(duì)鑄件的縮孔、縮松值影響最小,但內(nèi)澆口寬度太大或太小會(huì)使金屬液直沖對(duì)面的型壁,產(chǎn)生渦流,將空氣和雜質(zhì)包住而產(chǎn)生廢品,因此內(nèi)澆口的寬度定為37mm。

2.3 優(yōu)化的工藝參數(shù)

在壓鑄工藝生產(chǎn)中,要使鑄件的縮松、縮孔值和裹氣量盡量少,來(lái)保證鑄件的強(qiáng)度。在保證鑄件質(zhì)量的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減少充型時(shí)間及凝固時(shí)間,來(lái)縮短鑄件的生產(chǎn)周期,提高生產(chǎn)效率。因此,以縮孔、縮松值和裹氣量為主,綜合考慮來(lái)確定優(yōu)化的工藝參數(shù),優(yōu)化的壓鑄工藝參數(shù)為A1B3C2D1E2F3,即壓射速度1.4m/s,模具預(yù)熱溫度200℃,澆注溫度650℃,內(nèi)澆口長(zhǎng)度2mm,內(nèi)澆口寬度37mm,內(nèi)澆口厚度2.5mm。

3 優(yōu)化工藝參數(shù)的數(shù)值模擬

根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)對(duì)濾清器支架進(jìn)行數(shù)值模擬,圖3為濾清器支架充型模擬過(guò)程圖,圖4為濾清器支架凝固模擬過(guò)程圖,圖5為濾清器支架縮孔、縮松缺陷圖,圖6為濾清器支架裹氣圖。

由圖3可知,金屬液經(jīng)過(guò)直澆道、橫澆道及內(nèi)澆口后,進(jìn)入型腔內(nèi),沿著壁面填充機(jī)油濾清器支架中間位置,隨后向型腔兩側(cè)處呈流射狀充型,直到型腔被填滿,最后充滿溢流槽,充型過(guò)程完畢。金屬流動(dòng)方式總體平穩(wěn),無(wú)液體碰撞匯聚現(xiàn)象的發(fā)生,流動(dòng)狀態(tài)較好。

由圖4可知,鑄件固相線為546.8℃,液相線為598℃,在固相線與液相線之間為固液共存狀態(tài)。鑄件充型時(shí)間在0.0286s至0.0687s之間,對(duì)比前面18組正交實(shí)驗(yàn)可知,充填時(shí)間較長(zhǎng),這會(huì)使金屬液卷入的氣體少,但鑄件表面粗糙度高。鑄件凝固時(shí)間集中在3.44s至9.2s之間,呈現(xiàn)逐層凝固的凝固方式,金屬液流動(dòng)性好,鑄件產(chǎn)生冷隔、澆不足、縮孔縮松的傾向小。

由圖5可知,鑄件的縮孔、縮松主要集中在鑄件壁厚較大的位置處,在鑄件中間位置處存在少量的縮孔、縮松,但對(duì)鑄件質(zhì)量并沒(méi)有影響。

由圖6可知,鑄件的裹氣位置主要集中在靠近內(nèi)澆口處,是因?yàn)閮?nèi)澆口附近金屬液流動(dòng)速度相對(duì)較快,卷入的氣體也會(huì)較多。

用優(yōu)化的工藝參數(shù)模擬得出的縮孔、縮松平均體積百分比值為0.45%,平均裹氣量為0.000530g·cm-3,與18組正交試驗(yàn)比較,均相對(duì)較小,鑄件質(zhì)量得到了較大改善,因此優(yōu)化工藝可行。

圖3 濾清器支架充型模擬過(guò)程圖

圖4 濾清器支架凝固模擬結(jié)果圖

圖5 濾清器支架縮孔、縮松圖

圖6 濾清器支架裹氣圖

4 實(shí)際生產(chǎn)

根據(jù)優(yōu)化后的壓鑄工藝參數(shù)對(duì)濾清器支架進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)。圖7為生產(chǎn)出的濾清器支架,鑄件形狀清晰,表面光滑,未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)容易產(chǎn)生縮孔、縮松的位置進(jìn)行金相組織觀察,圖8為壁厚較大處(圖5A處)金相組織圖,可以看出鑄件微觀孔洞較多,但鑄件縮孔、縮松的尺寸都是微米級(jí)的,在該鑄件允許的范圍內(nèi)[7],且容易產(chǎn)生縮孔、縮松的位置位于鑄件的中間,對(duì)鑄件質(zhì)量影響較小,可以大批量生產(chǎn),驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。

圖7 生產(chǎn)出的濾清器支架

圖8 鑄件A處金相組織圖

5 結(jié)論

(1)壓射速度的大小對(duì)鑄件充型時(shí)間和裹氣量的影響比較顯著。壓射速度越大,充型時(shí)間也越短,但過(guò)短的充型時(shí)間會(huì)使金屬液卷入過(guò)多氣體,而且鑄件的表面粗糙度較低?？紤]過(guò)小的壓射速度會(huì)使鑄件成型困難,確定壓射速度為1.4m/s。

(2)模具預(yù)熱溫度對(duì)鑄件凝固時(shí)間的影響最大。這是因?yàn)槟＞哳A(yù)熱溫度越高,金屬液的散熱速度就越慢,凝固時(shí)間也就越長(zhǎng),會(huì)使鑄件內(nèi)部晶粒粗大,影響鑄件強(qiáng)度,而且脫模也會(huì)困難?？紤]到過(guò)低的模具預(yù)熱溫度會(huì)造成鑄件充填不足,對(duì)模具也會(huì)有熱沖擊,影響模具壽命。因此,確定模具預(yù)熱溫度為200℃。

(3)隨著澆注溫度的升高,鑄件的縮孔、縮松值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),在澆注溫度為650℃時(shí),縮孔、縮松值最小。

(4)對(duì)比徐秋湘等關(guān)于工藝參數(shù)對(duì)鋁合金梯級(jí)鑄件壓鑄過(guò)程的影響[8]的研究,本文額外考慮了內(nèi)澆口尺寸對(duì)鑄件的影響以及把裹氣量作為鑄件充型質(zhì)量好壞的觀察指標(biāo),確定最后的內(nèi)澆口長(zhǎng)度為2mm,寬度為37mm,厚度為2.5mm。