摘要: 以鋁合金發(fā)動機缸體的低壓鑄造過程為研究對象，應(yīng)用MAGMA鑄造模擬軟件對充型及凝固過程進行模擬，將固相分?jǐn)?shù)、充型溫度、虛擬實驗設(shè)計以及非熱平衡狀態(tài)的模擬結(jié)果和實際生產(chǎn)情況相結(jié)合，制定工藝參數(shù)，預(yù)測缺陷產(chǎn)生的位置，確定最佳工藝參數(shù)組合，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，保證質(zhì)量穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞:低壓鑄造；MAGMA；數(shù)值模擬；工藝優(yōu)化

低壓鑄造技術(shù)具有原材料利用率高、鑄件品質(zhì)好，尺寸精度和表面光潔度高、容易實現(xiàn)機械化和自動化等特點[1]，是實現(xiàn)汽車鑄件精密化、薄壁化、輕量化和節(jié)能化的重要措施[2，3]。然而，低壓鑄造過程看似簡單，生產(chǎn)中涉及多個環(huán)節(jié)，每一步對模具的溫度場，鑄件的充型凝固過程都會產(chǎn)生影響[4]。如果僅僅通過生產(chǎn)測試來調(diào)整工藝，會消耗大量的人力物力財力。而通過數(shù)值模擬可預(yù)知液體金屬充型、凝固過程中的溫度分布，預(yù)測鑄件中缺陷出現(xiàn)的位置、大小等，從而可以根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整鑄造工藝方案、參數(shù)等[5-7]。

本研究采用MAGMA鑄造模擬軟件的鋁合金低壓鑄造模塊，以本公司生產(chǎn)的某鋁合金發(fā)動機缸體鑄件為研究對象(A356鋁合金，外形尺寸約為430mm×360mm×330mm，最小壁厚4mm)，進行充型及凝固過程模擬，探討了模擬結(jié)果在工藝優(yōu)化中的應(yīng)用。

1　利用凝固分?jǐn)?shù)確定保壓時間

低壓鑄造是將干燥的壓縮空氣壓入密封坩堝內(nèi)的液面上，使金屬液在氣體壓力的作用下，沿升液管自下而上地上升，再通過澆口和澆道平穩(wěn)地充滿鑄型，并保持在一定壓力作用下結(jié)晶凝固(保壓階段)，保壓結(jié)束后，釋放液面上的氣體壓力，使?jié)部诤蜕汗苤袥]有凝固的金屬液靠自重流回到坩堝中，再將鑄型打開，取出鑄件的過程[1]。

在保壓階段，除了保壓壓力，保壓時間是另一個重要的參數(shù)。它與鑄件的壁厚、結(jié)構(gòu)及澆口形狀，液態(tài)金屬的溫度及熱導(dǎo)率，鑄型的溫度、熱導(dǎo)率及冷卻條件，升液管是否有加熱保溫措施等有關(guān)[8]。保壓時間不足，鑄件的凝固得不到充分補縮，容易產(chǎn)生縮松縮孔，甚至出現(xiàn)鑄件底部因未凝固而回流的現(xiàn)象；若保壓時間過長，不僅會降低生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致澆口下端凝固，造成鑄件難以脫模[9]。

因為低壓鑄造自下而上充型，自上而下凝固的特點，澆口和澆道是鑄件最后凝固的部位，以它們的凝固狀態(tài)為依據(jù)，就可以確定保壓時間。利用MAGMA凝固過程模擬中固相分?jǐn)?shù)的結(jié)果，當(dāng)澆口頸部的固相分?jǐn)?shù)為50％左右時(圖1)，即可開始釋放作用在液面的壓力。

圖1：澆口和澆道泄壓前的固相分?jǐn)?shù)模擬

因為此時已經(jīng)不能通過底部的壓力促進澆口對鑄件的補縮，而且澆口澆道也具備了一定的強度，不會產(chǎn)生回流現(xiàn)象。利用泄壓和開模前的時間可以讓澆口澆道充分凝固，從而隨鑄件一同脫模。將模擬得到的時間作為保壓時間應(yīng)用于實際中，澆口狀態(tài)和模擬結(jié)果基本吻合(圖2)。

圖2 脫模后的澆口和澆道凝固狀態(tài)

2　利用充型溫度的結(jié)果預(yù)防冷隔發(fā)生

冷隔是由于合金液的溫度或模溫太低、流動性差，在兩股合金液流匯處不能對接和熔合在一起所致[10]。在MAGMA中， 可以利用充型溫度(filling temperature)的結(jié)果來判斷發(fā)生冷隔的風(fēng)險。這個結(jié)果顯示了每個網(wǎng)格單元第一次被填充時對應(yīng)的金屬液溫度，并且在整個鑄件中顯示出來。通過這種方式，整個充型過程被匯總到一個結(jié)果中。利用這個結(jié)果可以讓我們確定鋁液到達鑄件不同部位時的初始溫度，它綜合了鋁液澆注溫度和模具溫度等的影響，對冷隔的預(yù)測更加客觀。在模擬結(jié)果中，若充型溫度在一塊區(qū)域內(nèi)低于液相線溫度(A356合金的液相線溫度為615℃[11])，且此處壁厚較薄，則容易出現(xiàn)冷隔(圖3)。

圖3 充型溫度的模擬結(jié)果

在實際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)該處的冷隔會在模具對應(yīng)位置保溫涂料脫落后產(chǎn)生(圖4)。因為失去了涂料的保溫作用，開模后模具金屬表面直接暴露在空氣中進行熱交換，模溫下降較快，從而影響了下一個生產(chǎn)循環(huán)中到達該處的鋁液溫度，因此產(chǎn)生冷隔。通過模擬結(jié)果和實踐經(jīng)驗，生產(chǎn)中加強對模具上對應(yīng)位置的涂料監(jiān)控，及時補噴，有效避免了因冷隔導(dǎo)致的報廢。

圖4 冷隔缺陷

3　利用虛擬實驗設(shè)計優(yōu)化參數(shù)組合

發(fā)動機缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均勻，在鑄件最后凝固的地方得不到金屬液的補縮，很容易產(chǎn)生縮松縮孔類缺陷[10](圖5)。在低壓鑄造工藝中，針對縮松缺陷，我們可以調(diào)整的變量包括: 澆注溫度，模具溫度，冷卻介質(zhì)，冷卻時間，冷卻流量，壓力參數(shù)等。盡管我們可以通過科學(xué)的實驗設(shè)計，測試生產(chǎn)，并輔以X射線檢查的方式，總結(jié)出使用不同組合方案后缺陷的大小變化，但是這需要大量的投入。

圖5 縮松的金相照片

在MAGMA中使用虛擬實驗設(shè)計(design of experiment)功能，在一次計算中可以模擬多個參數(shù)組合，并進行缺陷大小排序，迅速地找到最佳方案。

這里以模具溫度的實驗設(shè)計為例。在低壓鑄造工藝中，模具加熱溫度過高，會引起粘模和變形等問題，影響其使用壽命；過低又容易引起澆不足和冷隔等缺陷，同時考慮到模具從下至上，加熱溫度的設(shè)定呈由高到低的順序，結(jié)合以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，底模溫度通常設(shè)定在620℃ ~640℃之間，側(cè)模初始溫度通常設(shè)定在250℃~450℃之間。

實驗設(shè)計中取底模初始溫度分別為620℃ 和640℃，側(cè)模初始溫度分別為250℃、350℃和450℃，共形成6種組合方案(表1)，目標(biāo)為找出使總體縮松最小的參數(shù)組合。

經(jīng)過模擬計算，得到基于總體縮松大小的排名(表2)，可以看到第6種設(shè)計方案，即底模初始溫度640℃，側(cè)模初始溫度為450℃的方案，總體縮松最小。將這組參數(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)中后，實際的總體縮松缺陷率也相應(yīng)地實現(xiàn)了一定程度的降低。

4　模擬停機后再生產(chǎn)的工藝條件指導(dǎo)澆道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

低壓鑄造生產(chǎn)是一個循環(huán)的周期性的工作過程，每一次澆注過程(包括清理、噴補涂料、下過濾網(wǎng)、下砂芯、吹掃、合模、充型、保壓、泄壓、冷卻、開模、取件等)都伴隨著模具溫度從低到高再降低的過程。使模具升溫的熱源，一是模具的加熱系統(tǒng)，二是由金屬液帶入的熱量。模具在得到熱量的同時，也向空氣散發(fā)熱量或者由冷卻介質(zhì)帶走一部分熱量，如果單位時間內(nèi)模具吸收的熱量和散發(fā)的熱量相等，達到一個平衡狀態(tài)，則稱為模具的熱平衡[12]。

鑄造工藝參數(shù)的設(shè)定是基于模具熱平衡狀態(tài)設(shè)定的，當(dāng)生產(chǎn)節(jié)拍發(fā)生異常時，模具的熱平衡被破壞，還使用原參數(shù)來控制鑄造過程就不合理了。模具溫度過高或過低都會帶來一些不良的后果[13]，這里以模具溫度過低的情形為研究對象。在低壓鑄造生產(chǎn)過程中，需要定期全面地清理模具，噴涂料，更換坩堝，補充鋁液等，偶爾也會有設(shè)備或者模具故障發(fā)生，這些都會導(dǎo)致一定時間的停機，從而影響模具的溫度場，造成工藝條件與設(shè)計的理想條件的差別，產(chǎn)生質(zhì)量風(fēng)險。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)油底殼側(cè)靠近澆道的一個區(qū)域(以下簡稱為A區(qū))易產(chǎn)生縮松缺陷(圖6)，其中90％以上A 區(qū)縮松都發(fā)生在因各種原因停機超過10min 之后。盡管多數(shù)停機情況下，都會開啟加熱系統(tǒng)，合模保溫，模具溫度還是達不到連續(xù)澆注后的平衡狀態(tài)，缺陷因此而產(chǎn)生。

圖6 A區(qū)的縮松缺陷

用MAGMA模擬時，經(jīng)過10個預(yù)熱循環(huán)后，模具就達到了熱平衡狀態(tài)。再進行一個生產(chǎn)循環(huán)的模擬，就可以得到正常節(jié)拍后鑄件內(nèi)缺陷分布和大小的結(jié)果。在模擬非正常節(jié)拍時，先計算10個預(yù)熱循環(huán)，讓模具達到熱平衡，然后修改合模之后，澆注之前的等待時間，以模擬停機保溫的過程，再計算一個生產(chǎn)循環(huán)。通過兩種情況下的模擬結(jié)果可以看到，正常生產(chǎn)節(jié)拍時，在A區(qū)下端的澆道內(nèi)有縮松，這個縮松在后續(xù)切割澆道時即被加工掉，不影響鑄件的最終質(zhì)量(圖7(a))。而停機保溫10min 后，縮松從澆道內(nèi)上移至鑄件內(nèi)，加工時正好能暴露在加工面上(圖7(b))。

圖7 不同情況下MAGMA模擬的A區(qū)縮松的位置及大小

將參數(shù)在公差范圍內(nèi)進行調(diào)整，進行多組模擬，發(fā)現(xiàn)這個缺陷仍會浮動于澆道和鑄件之中。究其原因，是因為這個區(qū)域鑄件比較厚大，凝固較慢，若想消除掉此縮松，就需要減小這個區(qū)域的厚度，加速其凝固，同時還要保證不影響鑄件其他位置充型凝固后的質(zhì)量狀態(tài)。結(jié)合以往的經(jīng)驗，設(shè)定了填滿底模澆道上正對A區(qū)的梯形凹槽的方案，使A區(qū)的冷卻加快。更改澆道的數(shù)模，利用MAGMA對正常節(jié)拍和停機后的情況進行模擬，發(fā)現(xiàn)充型過程沒有太大影響，而縮松徹底消失(圖8)，同時沒有在鑄件其他位置產(chǎn)生新的缺陷。按此方案對生產(chǎn)模具進行了澆道的更改(圖9)，生產(chǎn)驗證也得到了同樣的結(jié)果，徹底消除了A區(qū)的縮松，使鑄件質(zhì)量在正常節(jié)拍和停機后都更加穩(wěn)定。

圖8 澆道結(jié)構(gòu)更改后在MAGMA模擬中的縮松徹底消失

圖9 改進前后A區(qū)下端的澆道形狀

5　結(jié)論

(1)用MAGMA模擬結(jié)果中澆口頸部的固相分?jǐn)?shù)為50％左右時對應(yīng)的時間作為保壓時間，能保證澆口澆道完全凝固，并且順利脫模。

(2)用充型模擬結(jié)果中的“充型溫度”可以預(yù)測冷隔產(chǎn)生的風(fēng)險，結(jié)合模具表面保溫涂料的實際狀態(tài)，制定工藝措施，可以有效預(yù)防冷隔發(fā)生。

(3)在模擬軟件中進行虛擬實驗設(shè)計，可以在眾多參數(shù)組合中迅速找到最佳方案，提高了工藝優(yōu)化的效率。

(4)對停機后再生產(chǎn)的情形進行模擬，能夠發(fā)現(xiàn)模具熱平衡被打破后容易產(chǎn)生的缺陷，基于這個結(jié)果進行工藝優(yōu)化，可以使鑄造工藝參數(shù)有更廣泛的適用性，保證鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定。

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