关于气缸盖罩压铸过程数值模拟及工艺参数优化的研究

作者：张毅   

    气缸盖罩是一种结构复杂的盖罩类零件，压铸是其常用的成形方法。本课题针对某型气缸盖罩实际生产过程产生的缺陷，运用Anycasting铸造软件对铸造充型、凝固过程进行模拟，分析了工艺参数对缺陷形成的影响，通过正交设计优化了工艺参数，提高了气缸盖罩压铸成品率。

1  初始工艺方案

1.1  工艺特点与参数

  气缸罩盖主要作用为防止隔绝、将机油冷凝回流，压铸件需保证其组织致密、表面无缺陷并满足气密性要求。气缸盖罩铸件材料为ADC12铝合金，其热物性参数见表1。

  该零件平均壁厚为5.5 mm，外形尺寸为428 mmX278 mm×84 mm．实际体积为1 303 394mm3，表面积为476 795 mm2，其三维模型见图1。由于投影面积大且壁厚偏薄，在生产中易形成缩松缩孔、表面欠铸和浇不足等缺陷。气缸盖罩压铸模具材料为SKD61合金，

其热物性参数见表2。

  压铸设备为DC12 50C卧式冷室压铸机，原生产工艺参数见表3。

1.2产品缺陷及分析

  在铸件充型和凝固过程中，影响其质量的主要工艺参数是压射速度和浇注温度。压射速度过高易包卷气体形成气孔和加速模具磨损；压射速度低导致铸件致密性降低。浇注温度过高，会使得铸件收缩大，晶粒粗大，还会粘模；过低时，易产生冷隔、浇不足等缺陷。

  采用原工艺参数生产的压铸件，可以发现某些位置会产生欠铸、浇不足和缩孔、缩松等缺陷，见图2。经分析，产生表面欠铸和浇不足的原因是由于铸件有凸台且零件结构复杂，浇注温度和压射速度选择不当，气体和冷污的合金液不能有效排出引起的。产生缩孔、缩松的原因为浇注温度偏高，压射距离和压射速度不合适，导致铸件最后凝固处补缩能力不足。

  用Anycasting软件中的概率缺陷参数模块对缩松缩孔缺陷进行预测，并用残余熔体模数作为概率缺陷参数的判据。图3为某截面的概率缺陷分布，在图形标注区域深色处表示该处概率缺陷参数大于0.9，会出现缩孔、缩松缺陷。经截面概率缺陷参数分析发现，铸件最后凝固处概率缺陷参数值较大，容易出现缩孔、缩松等缺陷；铸件椭圆处有壁厚较大的孔，充型过程中容易出现憋气而造成缩孔、缩松缺陷；矩形处对应结构本身壁厚较厚，凝固时容易出现补缩不足导致缩孔、缩松等缺陷；在较深的凸孔处容易出现憋气，收缩得不到补充而产生缩孔、缩松缺陷。

2  优化试验

2.1试验方案

  采用浇注温度、慢／快压射距离以及压射速度进行3因素3水平正交试验。正交因素水平表见表4。

2.2模拟结果分析

  各组工艺参数条件下压铸的充型时间、凝固时间以及残余熔体模数的正交模拟试验见表5。

  由表5可知，影响残余熔体模数的最大因素是浇注温度，其次是慢／快压射距离，压射速度影响最小；浇注温度对凝固时间的影响显著，浇注温度降低．凝固时间缩短；压射速度加快及压室慢压射距离变短，充型时间将变短。

  通过其均值可得到每个因素的最优值，最优的参数组合：浇注温度为630℃、慢／快压射距离为700/160mm、压射速度为6m／s。

3  优化工艺压铸过程分析  ’

  数值模拟方法可以对压铸件的充型过程、凝固时间及概率缺陷函数这三项直观分析和预测缺陷，判断浇注系统、排溢系统、工艺参数的合理性。现针对表3优化工艺参数，说明优化工艺压铸气缸盖罩的过程。

3.1  充型过程

  图4为充型过程模拟图。整个充型过程时间为0.139 s，速度较快。最初的速度为0.5 m/s，为慢压射阶段，该阶段主要是将熔融金属液平稳送到内浇口处，避免卷气。当慢压射距离达到700 mm时进入快压射阶段，其压射速度为6 m/s。

  由图4a可以看出，当t=0. 110  077 s时，金属液从浇道通过内浇口多股同时注入型腔，经溢流槽的改进和工艺参数优化后，液态金属从各内浇口进入型腔顺利有序，进入型腔后沿型腔内壁向前填充，最终充型位置位于溢流槽。由于其充型时间较短，充型阶段温度几乎不变。

3.2凝固过程

  图5为铸件的凝固过程模拟图。铸件壁厚较薄处最先凝固，厚壁和深孔处后凝固，设置在充型末端的溢流槽比铸件大部分后凝固，可以起到一定的补缩作用。而凝固过程的温度随时间的变化是先迅速下降，后变得平缓。

3.3缺陷预测

  用Anycasting中的概率缺陷参数模块对缩孔、缩松缺陷进行预测，见图6。可以看出，原生产工艺方案中容易出现概率参数值较大的部位，在工艺参数优化后其概率缺陷参数值减小至0.6以下。

4  生产验证

  气缸盖罩压铸工艺优化后试制的铸件见图7。该铸件轮廓清晰、表面质量良好，未发现缺陷。经检测，其表面粗糙度较低，组织较为致密，强度和硬度较高，达到了企业对该型号零件的质量要求。

5  结  论

  (1)运用Anycasting，有效地预测成形时产生的缩孔、缩松等缺陷及位置，为改善浇注、排溢系统和优化工艺提供了依据。

(2)优化后的气缸盖罩压铸新工艺压射速度较快，压室慢压射充型距离及充型、凝固时间缩短，温度降低，提高了生产效率；优化工艺后充型、凝固过程与原方案相比，残余熔体模数减小，各截面概率缺陷参数值降低，缩孔、缩松减少或消失，提高了铸件的质量。

6摘要运用Anycasting软件对气缸盖罩的原工艺方案进行数值模拟分析，预测验证了原工艺缺陷的种类和位置与实际应用的一致性，在此基础上采用正交试验方法优化了工艺参数，提高了气缸盖罩零件的成品率。