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    基于MAGMA数值模拟的发动机 缸盖铸造工艺优化设计
    发布日期:2020-04-03  来源:铸造工艺  作者:王晓明 王超  浏览次数:530
    核心提示:摘要:WPl0系列气缸盖为典型的薄壁复杂铸件,利用KW造型线潮模砂工艺大批量生产中,工艺控制难度大,工艺稳定性差 。气孔缺陷为
           摘要:WPl0系列气缸盖为典型的薄壁复杂铸件,利用KW造型线潮模砂工艺大批量生产中,工艺控制难度大,工艺稳定性差 。气孔缺陷为主要的缺陷之一 。利用MAGMA数值模拟对多种工艺优化方案进行模拟分析,依据计算分析结果,对现有的模样布置和浇注系统进行重新优化设计,并通过现场工艺验证实施,新工艺取得了较好的效果 。
           气缸盖是发动机核心部件之一,其内部结构复杂,工作环境恶劣,其质量性能对发动机的可靠性和整体性能影响极大 。因 此,对缸盖铸件的质量和性能要求非常高,如何稳定大批量生产缸盖铸件是业界公认的难题㈣ 。
    WPl0系列气缸盖为典型的薄壁复杂铸件,尺寸较小,结构紧凑,最小壁厚为4.5 ITI/B,如图1所示,采用KW静压全自动造型线潮模砂工艺生产 。
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           由于薄壁及复杂的内腔结构及大批量生产工艺控制难度大等问题,铸件生产中气孑L缺陷为主要的缺陷之一,比例约为2.5%.在生产实践中,通过对气孔缺陷进行统计分析,气孔缺陷位置如图2所示,比例约占气孔废品率的85%以上,前期通过优化砂芯排气、优化冒口尺寸结构等措施,气孔废品率有了一定的降低,但是总体效果不明显 。为进一步降低气缸盖气孔缺陷废品率,本文利用MAGMA数值模拟软件对气缸盖铸造工艺进行模拟分析,依据分析结果,对模样布置和关键工艺浇注系统进行重新优化设计 。

    一、缸盖铸件生产工艺情况
    1.1现工艺分析
    WPl0系列气缸盖铸件外形尺寸为330mill×185 mm X 125 mm,质量20 kg,采用德国KW3500全自动静压造型线潮模砂工艺,砂箱尺寸为1 000 nlnl×800 mm×260/260 mm,一箱6件;浇注系统采用两层内浇口结构的底注+中注工艺,过滤片采用陶瓷直孔过滤片立放工艺,浇注时间约26 s,浇注重量约160kg.图3为WPl0气缸盖型板模样布置及浇注系统结构,①~⑥为铸件的位号追溯标识,表1为浇注系统各位置截面积尺寸 。

    QQ截图20200403141009
    通过计算,现有浇注系统为半封闭半开放式结构,对现有工艺浇注系统各位置截面积分析可得:
    1)浇注系统各截面积比值S直:S横(截流处):Js内为0.86:0.42:1,其中,直浇道座与过滤片座搭接处为浇注系统的截流面积Js,,铁水流经S位置时瞬时流速变大 。同时,铁水在搭接位置产生拐弯,铁水在该处易发生喷溅和冲砂,紊流加大,一定程度影响过滤片的过滤阻渣效果,导致铸件砂眼的风险加大 。
    2)截流面积.s,为1 050 nlln2,相比另一侧搭接处Is 。截面积2520mm2,横浇道|s,截面积1967mmz和内浇道&截面积2 520 mm2相对较小,后半部分为开放式,且开放度较大,Ss/$4=2.4,导致后半段铁水流速慢,浇注时间过长,铁水温度降低较大,铁水易过早凝固,堵住了型腔和砂芯气体的排气通道,加大铸件气孑L风险 。
    1.2模拟分析
    利用MAGMA软件对WPl0气缸盖铸件浇注工艺充型情况进行模拟 。模拟参数设置如表2所示 。
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    根据分析需要,截取中间时间点12.25 s铁水浇注充型情况及该时间点温度场分布情况如图4所示 。表2模拟参数设置
    QQ截图20200403141009

    由模拟结果可得:

    1)浇注1 2.25 S时横浇道仍处于铁水未充满状态 。由浇注系统各截面推算,由于横浇道S,相比前段S差值较大,约917 mmz,形成较大的开放度,导致过大的横浇道截面积未全部起到引流的作用 。

    2)1、6号位置铸型较其他位置铁水充型温度有所降低,12.25 s时刻1、6位置铁水充型温度约1 380 oC,2、5号位置温度约为1 400℃,差值约20℃.根据充型压力 变化规律,铸型充型顺序依次为1、6号_2、5号_3、4号 。因 此,浇注过程中第一股铁水首先进入1、6号铸型,由于铁水首次流经横浇道时,冷的潮模砂浇道对前方铁水产生一定的冷却作用,加上横浇道截面积较大,铁水流动平缓,冷却时间较长,因 此,1、6号位置相比其他位置铁水温度降低最大,充型温度低 。显然,其他工艺条件相同的情况下,1、6号铸型位置,铁水温度降低最大、充型温度最低,最先进入该位置的前方冷铁水,在出气针位置过早凝固,阻塞排气通道,因 此1、6位号铸件气孔缺陷发生的概率必然增大 。

    2改进浇注工艺

    2.1方案设计

    综上分析,新工艺设计时需克服1、6号位置铁水充型温度降低大、充型温度低、与其他位置充型不同步的问题 。拟采取以下措施:

    1)采取提高浇注速度,降低浇注时间,减少充型温度降低 。结合压头高度,并结合现场试验经验,将横浇道位置的截流面积(即整个浇道的阻流面积)由1 050mm:增大至约1700mm2,直浇道、内浇道尺寸均不变,仍采用半封闭半开放式浇注结构,调整后各截面积比S直:S横:S内约为0.85:0.7:1.

    2)调整型板模样的布置,采取如图8所示的布置方式,调整后原1、6号位置铸型的铁水在横浇道中的流动距离缩短约113,但更改后模样呈现非对称布置,存在左右两侧压力 不同的情况 。为保证充型过程的各时间段不同位置充型同步,需对两侧横浇道截面积取适当的比例 。

    2.2模拟分析确定非对称两侧的截面积比值为保证新工艺方案铁水浇注充型同步,对调整布局的浇注系统两侧截面积设一定比例进行模拟分析,通过分析各位置铁水液面上升情况,得出合适的截面积比例 。

    首先左右两侧截面积按理论比例分别取1:1和2:1,按两种比例分别进行模拟分析,根据模拟情况,适当调整截面比例,再通过模拟分析验证调整后的比例是否合适 。其中,以sa值为基准,通过改变Js 。值的大小来调整两者的比例,具体方案见图5.图6a)、b)分别为方案一和方案二的模拟结果,图6c)为根据方案一和方案二模拟分析计算得出的比例,通过模拟验证,采用方案三|s 。:S 。取2.13:1时,左右两侧液面上升较同步 。

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    按照模拟结果,新浇注系统左右两侧的截面积比值按2.13:1进行设计,调整后的模样布置和浇注系统结构见图7所示,浇道各位置截面积值如表3所示 。利用MAGMA对WPl0缸盖铸件新工艺浇注充型情况进行模拟分析,图8为新工艺中间时间段6 s、18 s时铁水充型过程中温度场分布J隋况 。

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    模拟结果显示,新工艺l、6号铸型铁水充型6 s时对应位置浇注温度约为1 395 oC,18 S时浇注温度约为1410℃,较原工艺浇注温度升高约10℃,同时1、6号位置较其他位置温度降低有所改善 。

    2.3工艺验证

    依据模拟结果,按照方案三的设计参数完成了工装的制作,如图9所示,并进行了现场工艺验证 。验证时浇注重量约为158 kg,浇注时间为23 8左右,通过统计,气孔废品率为0.78%,各对应模样号的气孔比例相对均衡,其中1、6号位置比例由原先的占比85%以上降至30%左右,新工艺取得了较好的效果 。

    QQ截图20200403141009

    3结论

    利用MAGMA数值模拟对缸盖铸件铸造工艺进行优化设计,并通过现场工艺验证实施,新工艺取得了较好的效果 。

    1)提高了设计准确率,缩短了工艺开发周期 。数值模拟技术应用于铸件的工艺优化和开发过程,可直观地观察铸件充型及凝固过程,预测充型效果、温度场变化情况,提高了设计的准确率;同时,大大缩短了工艺开发周期 。

    2)新工艺已通过现场试验验证 。原1、6号位置缸盖的气孔缺陷占比由原先的85%左右下降至30%左右,气孔废品率也由原先的2.5%左右下降至1%以内,新工艺取得了良好的效果 。

    参考文献:

    [1]钱寅通,时光 。刘勤鹏,等.265型气缸盖铸造工艺[J].铸造,2015(1):69—72.

    [2]李铜海.L32型柴油机气缸盖铸造技术[c].全国大功率柴油机学术年会论文集,2009:373—374.

    [3]李新亚.铸造手册:第5卷:铸造工艺[M].:机械工业出版社.2011.


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