李繼超，邢長(zhǎng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)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(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，在氣缸蓋毛坯砂型鑄造生產(chǎn)過(guò)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(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋下水夾層芯在制芯時(shí)存在由于芯盒溫度分布不均勻?qū)е律靶揪植窟^(guò)熱焦化，而砂芯成型質(zhì)量差往往會(huì)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(jì)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(lái)越廣泛。目前，利用一些較為成熟的商用軟件不僅可以對(duì)鑄造過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及應(yīng)力變形等進(jìn)行仿真計(jì)算[5]，對(duì)于砂型鑄造中的射砂、制芯過(guò)程也可以進(jìn)行仿真，并實(shí)現(xiàn)分析和預(yù)測(cè)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(guò)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(cè)量時(shí)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(shí)，要兼顧計(jì)算精度與計(jì)算效率，對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域采用較小尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行，非重點(diǎn)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(wàn)。

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(jiàn)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(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，從模面選擇幾個(gè)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(cè)量位置時(shí)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(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖4 所示。溫度測(cè)量結(jié)果易受測(cè)量設(shè)備本身誤差、環(huán)境干擾、人為等因素影響，為減小測(cè)量誤差，采用非接觸式的熱成像儀對(duì)熱芯盒模面溫度分布進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用接觸式熱電偶對(duì)熱成像測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校對(duì)。測(cè)量設(shè)備及技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 測(cè)量設(shè)備及參數(shù)

圖4 模面測(cè)溫點(diǎn)

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

在給定的制芯工藝參數(shù)下，芯盒溫度場(chǎng)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(shuō)明芯盒中三個(gè)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(duì)較低。

圖5 芯盒溫度場(chǎng)測(cè)量和仿真結(jié)果

對(duì)1.2 節(jié)中的9 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)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(chǎng)測(cè)量結(jié)果

在不同時(shí)間段共采集5 組數(shù)據(jù)，如圖6 所示。不同時(shí)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(chǎng)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(cè)量點(diǎn)采集到的溫度變化趨勢(shì)與分布規(guī)律基本一致，測(cè)溫點(diǎn)3#為溫度最高點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)6#為溫度最低點(diǎn)。

圖6 芯盒溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

為確保溫度測(cè)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(duì)比，如圖7 所示。兩種測(cè)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(cè)量設(shè)備本身的測(cè)量精度，所測(cè)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(chǎng)測(cè)量結(jié)果

將5 組測(cè)量數(shù)據(jù)取均值與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8 所示。9 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的仿真數(shù)值與測(cè)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(duì)芯盒溫度場(chǎng)進(jìn)行定量分析是可行的、可靠的。

圖8 測(cè)量結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比

2.3 固化時(shí)間對(duì)砂芯表面狀態(tài)影響

生產(chǎn)過(guò)程中，固化時(shí)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(guò)熱焦化的砂芯。

圖9 水夾層正常砂芯（左）與局部過(guò)熱焦化砂芯（右）

表5 為不同固化時(shí)間對(duì)砂芯表面狀態(tài)及表面溫度場(chǎng)的影響情況。在制芯過(guò)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(shí)較薄弱的位置更易發(fā)生焦化現(xiàn)象，薄弱部位溫度過(guò)高導(dǎo)致了水夾層芯局部焦化。

表5 水夾層芯不同固化時(shí)間對(duì)砂芯表面狀態(tài)及表面溫度場(chǎng)影響

圖10 為不同固化時(shí)間的水夾層芯各特征點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算溫度對(duì)比情況。當(dāng)砂芯固化時(shí)間由20s 延長(zhǎng)至60s 時(shí)，砂芯表面實(shí)測(cè)溫度高于215℃，計(jì)算溫度高于230℃時(shí)，外表面呈現(xiàn)出局部過(guò)熱焦化現(xiàn)象。

圖10 不同固化時(shí)間的水夾層芯各特征點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算溫度對(duì)比

3 結(jié)論

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

（1）計(jì)算分析溫度與熱電偶測(cè)量溫度的偏差最大值為9.16℃，最小值為0.46℃，兩種測(cè)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(jì)算分析方法對(duì)熱芯盒溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真的方法是可行的。

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

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