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        基于正交試驗的發(fā)動機(jī)連體軸瓦鑄造工藝優(yōu)化

        2022-07-15 09:08:38雷艷淼余貴董菊明沈默
        機(jī)械工程師 2022年7期
        關(guān)鍵詞:冷鐵充型冒口

        雷艷淼,余貴,董菊明,沈默

        (黃岡師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院,湖北黃岡 438000)

        0 引言

        發(fā)動機(jī)主軸承蓋是汽車發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件,用量大、工作環(huán)境復(fù)雜、承受載荷大,對產(chǎn)品質(zhì)量有較高要求。發(fā)動機(jī)主軸承蓋一般采用砂型鑄造進(jìn)行生產(chǎn),對質(zhì)量和性能要求都非常高,鑄件表面不允許有砂眼、渣孔和氣孔等鑄造缺陷,鑄件內(nèi)部不允許有縮孔、縮松和針孔等缺陷[1]。

        隨著流體傳熱及凝固理論的成熟和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,鑄造工藝數(shù)值模擬獲得了快速發(fā)展[2]。利用數(shù)值模擬,鑄造工作者可以對鑄造全過程進(jìn)行模擬仿真,在實際生產(chǎn)之前驗證或優(yōu)化所采用的鑄造工藝參數(shù),克服了鑄造業(yè)長期存在的試制周期長、鑄件成本高、質(zhì)量難以控制等缺點, 對鑄造結(jié)果和缺陷基本可以做到“未鑄先知”和“防患于未然”[3-7]。本研究利用Anycasting軟件對發(fā)動機(jī)主軸承蓋鑄造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬正交試驗,采用統(tǒng)計方法研究了影響鑄件質(zhì)量的因素,優(yōu)化了鑄造工藝參數(shù),并通過生產(chǎn)試制得到質(zhì)量合格的產(chǎn)品。

        1 鑄件概況

        某發(fā)動機(jī)主軸承蓋5件連體鑄件毛坯(如圖1),輪廓尺寸為148 mm×114 mm× 68 mm,鑄件質(zhì)量為5.4 kg,平均壁厚為30 mm,材質(zhì)為QT500-7球墨鑄鐵。根據(jù)毛坯零件圖設(shè)計鑄件三維造型如圖2所示,該連體鑄件加工為5個單體發(fā)動機(jī)主軸承蓋。要求對鑄件進(jìn)行X射線探傷檢測,加工面不容許有任何縮松缺陷,非加工面內(nèi)部縮松等級滿足ASTM E446 2級。鑄件的化學(xué)成分要求如表1所示。材料力學(xué)性能要求:抗拉強(qiáng)度≥450 MPa、屈服強(qiáng)度≥310 MPa、伸長率≥10%、布氏硬度為160~221 HB。

        表1 化學(xué)成分要求 %

        圖1 毛坯二維簡圖

        圖2 發(fā)動機(jī)主軸承蓋5件連體鑄件三維實體模型

        2 鑄造工藝設(shè)計

        根據(jù)企業(yè)造型線實際,澆注系統(tǒng)采用“一模四件”的水平造型線方案,設(shè)計澆注系統(tǒng)如圖4所示,鐵水流經(jīng)冒口進(jìn)入鑄件,冒口頸作內(nèi)澆道。澆注系統(tǒng)采用前封閉、后開放設(shè)計,F(xiàn)內(nèi)>F阻

        圖4 鑄造工藝方案

        冒口的設(shè)計采用模數(shù)法,選用直徑為70 mm、高為140 mm圓柱冒口,模數(shù)為1.31,拔模斜度為5°,一個冒口要同時補(bǔ)縮兩個鑄件。由文獻(xiàn)[8]經(jīng)驗公式計算總阻流面積F阻=720 mm2,每個阻流截面積為360 mm2,設(shè)計成6 mm×60 mm阻流薄板。F阻∶F橫∶F直=1 ∶1.15∶1.2。

        圖3 冷鐵尺寸

        實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn),對球墨鑄鐵的汽車零配件中的安全件,受實際生產(chǎn)制程波動的影響,應(yīng)用均衡凝固理論,縮松穩(wěn)定性差。汽車安全件要求實現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品零縮松,不合格件將直接導(dǎo)致召回,故本次工藝優(yōu)化仍以實現(xiàn)順序凝固為主要設(shè)計優(yōu)化思路。實現(xiàn)順序凝固的辦法是冒口搭配冷鐵,冷鐵尺寸如圖4所示,位置如圖4中的1、2、3、4處。

        冷鐵具體位置以冷鐵端面與鑄件端面偏移量L表示,如圖4(b)所示。冷鐵位置偏移量L和澆注溫度、澆注高度是影響本鑄件質(zhì)量主要因素,為此設(shè)計正交試驗,尋找最優(yōu)化工藝參數(shù)。

        3 正交試驗及結(jié)果

        3.1 Anycasting前處理

        以給定網(wǎng)格總數(shù)的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最終確定網(wǎng)格總數(shù)為4 004 325。QT450球墨鑄鐵液相線溫度為1148 ℃,固相線溫度為1080 ℃。熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置:冷鐵與鑄件之間為3000 W/(m2·K),冷鐵與砂模之間為1000 W/(m2·K),鑄件及澆注系統(tǒng)與砂模之間設(shè)為Variable,具體變化規(guī)律如表2所示。澆口半徑設(shè)為17.5 mm,收縮模型為重力收縮。

        表2 鑄件與砂芯的傳熱系數(shù)

        3.2 正交試驗及結(jié)果分析

        用冷鐵位置偏移量、澆注溫度和澆注速度設(shè)計三因素三水平正交試驗,如表3所示。為了解各因素對鑄件質(zhì)量的影響,根據(jù)表3設(shè)計確定了9種試驗方案,如表4所示。使用Anycasting高級鑄造分析中以殘余熔體模數(shù)為參數(shù)的缺陷概率均值(鑄件本體部分)為考核指標(biāo),充型時間和凝固時間作為輔助參考。

        表3 正交試驗因素水平表

        表4 正交試驗方案及結(jié)果

        根據(jù)表4正交試驗結(jié)果,從直接最優(yōu)化角度分析,第6組的缺陷概率最低,為0.088 656 6%。工藝組合為A2B3C1,即冷鐵偏移27 mm、澆注溫度1430 ℃、澆注速度1.5 m/s。

        對正交試驗9個方案結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析,得出表3中的P1、P2、P3、Q1、Q2、Q3及R。其中P1、P2、P3分別代表A、B、C因素第1、2、3水平所對應(yīng)的缺陷概率之和;Q1、Q2、Q3分別代表A、B、C因素第1、2、3水平所對應(yīng)的缺陷概率之平均值,R代表A、B、C因素各水平平均值的極差。由表4極差R分析結(jié)果可見,因素影響的大小順序為A>B>C,即冷鐵位置影響最為顯著,其次是澆注溫度,澆注高度影響因素較小。以每個因素的水平為橫坐標(biāo),以考核指標(biāo)的平均值(即Q1、Q2、Q3)為縱坐標(biāo),繪制各因素的趨勢圖,如圖5所示。由Q1數(shù)值可知,因素A取二水平效果最優(yōu)(缺陷概率最小),同理因素B取三水平最優(yōu),因素C取二水平最優(yōu),最優(yōu)組合為A2B3C2,即冷鐵偏移位置為27 mm、澆注溫度為1430 ℃、澆注高度為2.0 m/s,但該組合并未出現(xiàn)在9個試驗方案中,它是基于統(tǒng)計的結(jié)論。

        圖5 各因素趨勢圖

        3.3 基于最優(yōu)參數(shù)組合的模擬

        根據(jù)正交試驗分析結(jié)果,使用Anycasting對參數(shù)組合A1B1C3最優(yōu)進(jìn)行工藝模擬(如圖6),模擬結(jié)果為:充型時間為2.3088 s、凝固時間為1558.2377 s。充型順序?qū)哟畏置?、充型動畫顯示充型平穩(wěn)、無卷氣。鑄件實現(xiàn)了完全順序凝固,最后凝固位置在冒口中,鑄件得到有效補(bǔ)縮。缺陷預(yù)測顯示鑄件本體零縮松,縮松縮孔缺陷均在冒口和澆道中。模擬結(jié)果證明,優(yōu)化的工藝參數(shù)是合理可行的。

        圖6 基于最優(yōu)參數(shù)組合的模擬

        4 生產(chǎn)試制驗證

        對本工藝方案進(jìn)行產(chǎn)品試制(如圖7),X射線探傷檢測結(jié)果如圖8所示,檢測結(jié)果表明鑄件內(nèi)部組織致密,無縮孔、縮松和超標(biāo)缺陷顯示,鑄件質(zhì)量均符合要求,試制結(jié)果與鑄造工藝數(shù)值模擬結(jié)果是一致的。試制結(jié)果表明,鑄造工藝方案及工藝參數(shù)合理可行。

        圖7 試制樣品

        圖8 X射線探傷檢測結(jié)果

        5 結(jié)論

        1)使用Anycasting鑄造模擬軟件對發(fā)動機(jī)軸瓦連體鑄件進(jìn)行了基于數(shù)值模擬的正交試驗,并根據(jù)統(tǒng)計分析得出了最優(yōu)工藝參數(shù)組合,試驗成本低、周期短。

        2)以缺陷概率為考核指標(biāo)的統(tǒng)計分析表明A1B1C3是最優(yōu)工藝參數(shù)組合,即澆注溫度為1420 ℃、澆注高度為0.2 m、冷鐵偏移位置為27 mm。生產(chǎn)試制及檢測證明產(chǎn)品致密性良好,無縮松、縮孔缺陷,工藝方案和工藝參數(shù)合理可行。

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