鋁合金進氣管傾轉鑄造工藝數值模擬及優化

張　章，段月星，辛小剛

（廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004）

制造工藝

鋁合金進氣管傾轉鑄造工藝數值模擬及優化

張章，段月星，辛小剛

（廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004）

采用數值模擬技術對鑄造過程進行模擬可以預判鑄件的工藝缺陷，避免試錯或減少試錯次數，從而能夠有效提升產品的開發效率。以某型號進氣管為研究對象，利用現代化的虛擬制造技術對金屬型傾轉重力鑄造工藝進行優化。廣西旺峰科技有限公司擬開發生產的L3000-1008101型號進氣歧管為研究對象，對金屬型傾轉重力鑄造工藝進行相關研究。利用現代化的虛擬制造技術，在UG10.0中對該產品模具和熱芯盒的各個系統進行設計，并基于鑄造數值模擬軟件ProCAST對設計工藝進行模擬分析。根據分析結果，對鑄件的模具結構進行相關改進設計，對澆注工藝參數進行調整，更好地保證了鑄件的質量。

進氣管；傾轉鑄造；數值模擬；工藝優化

基于經驗設計的傳統鑄造方法，只能依靠基本理論和經驗來設計鑄造工藝，由于澆注工藝參數控制的不穩定導致鑄件質量分散度非常大，且每開發一套新的模具，都要經過反復的試制才能最終確定澆注方案，浪費大量的人力物力。另外，經驗設計法為了減少試錯次數，一般冒口和澆道尺寸設計都過于保守，產品的工藝出品率都比較低。鑄造數值模擬技術在模具開發階段可以準確地模擬鑄造的充型過程和凝固過程，提前預測某種鑄造工藝可能產生的缺陷。可以對鑄件成型過程中各階段流場、溫度場、濃度場、應力場進行精確計算，以獲得相對準確地控制參數，生產出高品質的鑄件，為鑄造企業帶來實實在在的經濟效益。本文旨在運用數值模擬技術，對鑄件的設計工藝進行充型、凝固和卷氣模擬，并預測鑄件的孔隙和縮松縮孔缺陷。對數值模擬方法預測出的工藝缺陷進行改進設計，優化鑄件的模具結構和澆注工藝參數。設計含澆注溫度、澆注速度、模具溫度和傾轉角度四種影響因素的正交試驗，分析四種因素對鑄件質量的影響，試圖探索較好的澆注工藝參數組合。

1　鑄造工藝設計

本進氣管主要用于玉柴某款六缸柴油機，材料為鑄造鋁合金ZL106，其最小處壁厚僅為4mm，屬于薄壁類鑄件，重量5.7 kg，基本輪廓尺寸為852 mm ×206 mm×138mm.零件三維圖如圖1所示。

圖1　進氣歧管零件圖

本進氣管模具的各個系統設計如下所示：

（1）最小鑄出孔、收縮率、起模斜度及機加工余量的確定

本鑄件的孔都采用機加工的方法制出，收縮率確定為1.2%，采用增加鑄件厚度的形式確定外邊面的拔模斜度為1°，機加工余量厚度值設定為2mm.

（2）澆注系統的設計

為充分考慮澆道的排氣和補縮作用，直澆道：橫澆道：內澆道截面積比為1:2:1.5，設計直澆道的總截面積設計為3 400 mm2，橫澆道最小截面積為6 740 mm2，內澆道最小截面積為5 000 mm［1］.

（3）冒口的設計

生產中為了避免縮松縮孔的產生，通常就需要設置冒口。采用模數法設計冒口，設計冒口的模數為熱結處的2倍［2］。

（4）排氣系統的設計

在分型面上開設排氣槽，在頂桿與型腔體的配合面上開設排氣槽，以及在金屬型芯頭處開設排氣孔。

（5）分型面的設計

進氣管管壁很薄截面形狀呈L形，應選擇歧管中心線構成的面作為分型面，以歧管的最大輪廓線進行水平分型。

（6）澆注工藝參數的確定

初步設計澆注速度為0.2 m/s，澆注溫度為730℃，鑄型的下模溫度為275℃、上模溫度為300℃、澆口杯溫度為325℃，傾轉角度為45［3］.

含澆道和冒口的鑄件、砂芯三維如圖2所示。

圖2　含澆道和冒口的鑄件、砂芯三維圖

2　數值模擬

ProCAST軟件是基于有限元技術的鑄造數值模擬系統，在ProCAST中對進氣管的鑄造過程進行了模擬。

2.1充型過程

從圖3可以看出充型20%時合金液形成紊流，易造成卷氣從而導致鑄件缺陷，繼續充型合金液會充滿橫澆道，使澆注系統失去排氣作用，因此：直澆道和橫澆道過度的地方也應該改進設計；設計內澆道尺寸完全相同，通過模擬發現由于各內澆道離直澆道的遠近不同，鑄型不同部位型腔大小各異所需合金液的量也不同，因此各內澆道的尺寸應該根據鑄型各部分型腔大小適當調整，圖3為鑄件充型速度場。

圖3　鑄件充型20%時速度場

2.2凝固過程

在充型95%時鑄件已經開始凝固。溫度過低使得合金液處于固液共存狀態流動性變差，極易導致澆不足和冷隔等缺陷，因此應適當提高澆注溫度或鑄型溫度，充型過程溫度場如圖4所示。

圖4　充型過程溫度場

2.3縮松縮孔預測

由于鑄件左側端蓋處冒口的位置過高，不能很好的補縮到法蘭盤下部，導致法蘭盤下部會產生縮松縮孔，如圖中Ⅰ處所示；在前側凸臺和進氣端法蘭盤下端也存在輕微的縮松縮孔現象，如圖中Ⅱ處所示；歧管端法蘭盤處圓柱凸臺上的冒口因為與砂芯合型需要，部分被切掉，冒口尺寸減小，導致縮松縮孔沒有完出現在冒口中，如圖中Ⅲ處所示；右側斜凸臺處冒口不能很好的補縮斜凸臺厚大部分，導致斜凸臺的厚大部分產生縮松縮孔缺陷，如圖5中Ⅳ處示。

圖5　縮松縮孔概率大于30%云圖

3　工藝改進

將橫澆道形狀由一字型改為V字型，以便于合金液能夠從澆道中平穩順利的流入型腔；適當增大兩個外側內澆道的尺寸，使得合金液更多的流向兩側以保證整個鑄件快速均勻充型。

應該適當增加歧管端法蘭盤處冒口直徑和高度；以分型面為界雙向拔模側端法蘭盤處冒口使得位置下移；將鑄型的下模溫度提高到300℃、上模溫度提高到325℃、澆口杯溫度提高到350℃，澆注溫度保持不變。改進后含澆道冒口的鑄件三維圖如圖6所示。

圖6　含澆道冒口的鑄件三維圖

從圖中可以看出，通過對澆道的改進設計充型變得更加平穩有序，減小了鑄件發生卷氣的概率，同時保證了6個內澆道的合金液流量；在充型95%時，鑄件仍未開始凝固，依然能夠保證大部分合金液高于其液相線，相對改進前有明顯改善；通過對相關冒口的改進設計，鑄件的縮松縮孔情況得到明顯改善。

改進后的模擬如圖7所示。

圖7　改進后的模擬結果

4　結束語

本文依據鑄造相關理論科學的設計了進氣管的模具系統；初步確定了進氣管的澆注工藝參數，并對設計方案進行充型過程和凝固過程的數值模擬分析，預測出鑄件在實際生產過程中將會產生的孔隙和縮松縮孔缺陷；針對模擬結果對鑄件模具結構進行了改進設計，并對改進設計進行模擬分析，有效地避免了因模具結構設計不當造成的鑄件缺陷。科學的設計了正交試驗，系統分析了各澆注工藝參數對鑄件質量的影響，確定改進后的澆注工藝參數澆注溫度為730℃、澆注速度為0.2 m/s（澆注時間為8.5 s）、下模溫度為300℃、上模溫度為325℃、澆口杯溫度為350℃、傾轉角度為45°時，模擬結果是相對較優的。

［1］揚長梅.旋轉澆注工藝研究［J］.鑄造技術，1996，48（3）：40-42.

［2］陳紅兵.鋁合金進氣歧管傾轉鑄造工藝研究［D］.重慶:重慶大學，2008.

［3］張亞洲，許濤.CFD技術在發動機進氣歧管設計中的應用［J］.上海汽車，2011，12（05）:17-19.

NumericalSimulation and Optim ization of the Casting Process of Alum inum Alloy Intake Pipe

ZHANG Zhang，DUAN Yue-xing，XIN Xiao-gang
（School of Mechanical Engineering，GuangxiUniversity，Nanning Guangxi 530004，China）

The numerical simulation technology of casting process simulation can anticipation the casting defects，to avoid trial and error or reduce the number of trial and error，which can effectively improve the efficiency of product development.Using a certain type of air intake pipe as the research object，the use of modern virtual manufacturing technology to optimize the gravity casting process.Guangxi wang feng technology Co.，Ltd.to develop the production of L3000-1008101 model intake manifold for the research object，the gravity casting process ofmetal.Using the modern virtual manufacturing technology，the various systems of the product die and the hot core box are designed in UG10.0，and the design process is simulated and analyzed based on the numerical simulation software ProCAST.According to the analysis results，to improve the structure of the casting mold design，casting process parameters to adjust，to better ensure the quality of the castings.

intake pipe；tilting casting；numerical simulation；process optimization

TG245；TG244.3

A

1672-545X（2016）06-0170-03

2016-03-08

張章（1988-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事車輛制造技術研究。