基于軟件的發(fā)動機(jī)連接件半固態(tài)鑄造過程的對比分析

重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院 劉祥 任飛 魏良慶

本鑄造分析對象為本田摩托車某型號發(fā)動機(jī)外殼件，其總體積約290cm3，外形尺寸215×140×190mm，平均壁厚約為3mm。發(fā)動機(jī)殼屬于高強(qiáng)度、高韌性且耐腐蝕的大型薄壁復(fù)雜零件，其力學(xué)性能指標(biāo)為：鑄件本體抗拉強(qiáng)度≥240MPa，屈服強(qiáng)度≥145MPa，伸長率＜6%。鋁合金AL357材料的抗拉強(qiáng)度為320MPa，屈服強(qiáng)度為170MPa，伸長率為3.5%，材料的密度為2437kg/m3，完全滿足零件的力學(xué)性能要求，可作為零件的鑄件材料。對鋁合金材料進(jìn)行鑄造時(shí)，常采用傳統(tǒng)的液態(tài)壓鑄法成型，本文通過模擬液態(tài)和半固態(tài)兩種成型方式，采用數(shù)據(jù)對比法來評價(jià)各方案的優(yōu)劣，對傳統(tǒng)鑄造工藝提出優(yōu)化和改進(jìn)的方案及措施。發(fā)動機(jī)外殼件模型、液態(tài)鑄造方案和半固態(tài)鑄造方案如圖1～3所示。

圖1 外殼件模型

圖2 液態(tài)鑄造流道及冒口設(shè)計(jì)

圖3 半固態(tài)鑄造無冒口設(shè)計(jì)

一、半固態(tài)數(shù)值模擬的粘度模型

在常用的流體粘度模型中，一般鑄造過程金屬熔體流動特性常采用牛頓流體的等粘度模型，但半固態(tài)鑄造過程中金屬熔體是非全液態(tài)且有初生固相的流體，半固態(tài)鑄造材料的流動特性也是非牛頓流體的流動特性，半固態(tài)充填時(shí)材料粘度是隨不同溫度下的剪切速率和固相分?jǐn)?shù)的變化而變化的。因此，可采用應(yīng)變率、溫度相關(guān)的粘度模型，模型公式為：

相關(guān)各參數(shù)的含義為：μ為流體計(jì)算粘度；μ00為剪切無窮大時(shí)的粘度；μ0為初始粘度；eij為計(jì)算流體應(yīng)變率（模擬時(shí)的瞬態(tài)值）；λ00為相轉(zhuǎn)換系數(shù)；λ0為相轉(zhuǎn)換系數(shù)；λ1為相轉(zhuǎn)換系數(shù)；λ2為相轉(zhuǎn)換系數(shù)；n為冪指數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，AL357材料一般的充填粘度μ00為0.0012Pa·s，最大粘度值可達(dá)106Pa·s，則AL357材料的μ0值可定為5e5Pa·s。在假定半固態(tài)漿料表觀粘度不隨時(shí)間變化時(shí)，其E=1，其它不隨溫度變化的常數(shù)λ00、λ0、λ2均為0，根據(jù)20%～30%固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)漿料的應(yīng)變率與粘度曲線的關(guān)系，可確定冪指數(shù) 為n=-0.1左右。根據(jù)AL357材料半固態(tài)漿料固相分?jǐn)?shù)（圖4）fs與相轉(zhuǎn)換系數(shù)λ1的關(guān)系式：

可計(jì)算出相轉(zhuǎn)換系數(shù)λ1的具體數(shù)值，從而可以得到隨材料應(yīng)變率和溫度變化的流體計(jì)算粘度μ的表達(dá)式：

此表達(dá)式即為數(shù)值模擬時(shí)軟件中采用的半固態(tài)粘度模型。

圖4 AL357材料在不同溫度下的固相分?jǐn)?shù)

二、數(shù)值模擬過程

1.發(fā)動機(jī)殼液態(tài)模擬充填

發(fā)動機(jī)殼液態(tài)充填參數(shù)為：充填材料初始溫度設(shè)置為700℃（973K），高于AL357材料的液相線溫度615.9℃（888.9K），模具初始溫度設(shè)置為473℃。為減少成型件表面缺陷，鑄件設(shè)計(jì)多個(gè)柱狀和連續(xù)狀冒口，同時(shí)為了使各部位充型時(shí)間基本一致并盡可能減少空氣的卷入量，需按鑄造要求設(shè)計(jì)多條側(cè)鑄造澆道。液態(tài)充填方式的充填時(shí)間圖如圖5所示。

液態(tài)充填結(jié)果為：充填率達(dá)到100%時(shí)總用時(shí)0.127S，壓鑄口材料溫度為700℃（973K），最遠(yuǎn)端材料溫度為692℃（965K），遠(yuǎn)高于材料的固相線溫度539.6℃（812.6K），所有材料均處于液相區(qū)，需降溫冷卻152.4℃才可達(dá)到材料固相線溫度，開模等待時(shí)間較長。

（a）0.025 S （b）0.05 S （c）0.085 S （d）0.127 S

2.發(fā)動機(jī)殼半固態(tài)模擬充填

發(fā)動機(jī)殼半固態(tài)充填參數(shù)為：充填溫度設(shè)置為607℃（880K），低于材料的液相線溫度615.9℃（888.9K），但高于材料的固相線溫度539.6℃（812.6K），模具初始溫度設(shè)置為473℃。鑄件不設(shè)計(jì)冒口，僅按要求設(shè)計(jì)鑄造澆道，鑄造澆道可使用柱塞筒的管道結(jié)構(gòu)完成充填。由于半固態(tài)材料粘度大，不便于設(shè)置側(cè)澆道，易采用大直徑的單一澆道。在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到單一澆道容易出現(xiàn)充型時(shí)間不一致的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)材料會產(chǎn)生冷隔問題，造成產(chǎn)品報(bào)廢，需注意在材料充填溫度和充型速度上進(jìn)行合理設(shè)置。半固態(tài)充填方式的充填時(shí)間圖如圖6所示。

圖6 半固態(tài)充填方式的充填時(shí)間圖

半固態(tài)充填結(jié)果為：充填率達(dá)到100%時(shí)總用時(shí)0.29S，壓鑄口材料溫度為607℃（880K），最遠(yuǎn)端材料溫度為596℃（869K），最低溫度仍高于材料固相線溫度539.6℃（812.6K），所有材料均處于半固態(tài)區(qū)，僅需降溫冷卻56.4℃即可達(dá)到固相線溫度，開模等待時(shí)間較短。

三、充填效果分析

1.充填缺陷比較

圖7 兩種充填方式的空氣卷入缺陷比較

圖8 兩種充填方式的表面氧化缺陷比較

從液態(tài)模擬充填方式的卷入空氣量圖和表面氧化缺陷圖（如圖7、圖8所示）可以看出，雖然傳統(tǒng)鑄造方案已經(jīng)充分考慮了相關(guān)缺陷的產(chǎn)生，從而對鑄造部位增加了足夠數(shù)量的冒口來容納卷入的空氣，但是效果并不理想，在鑄件內(nèi)部依然產(chǎn)生較多鑄造缺陷。液態(tài)充填方式的主要缺陷為空氣卷入，其原因?yàn)橐后w充填速度快，液體粘度低，充填時(shí)易濺射后卷入空氣，最終在成型件內(nèi)部形成明顯的縮孔或縮松等現(xiàn)象。但是液態(tài)充填方式的表面氧化缺陷較少，其原因?yàn)橐簯B(tài)充填溫度高，充填后冷卻時(shí)間長，減少了表面缺陷的產(chǎn)生，可生成更加光滑的成型表面。但是傳統(tǒng)液態(tài)充填時(shí)隨著冒口體積和數(shù)量的增加，整個(gè)鑄件重量明顯加大，鑄造完成后要增加更多的人力進(jìn)行冒口的清理工作，這將造成企業(yè)生產(chǎn)成本明顯增加。

從半固態(tài)模擬充填的卷入空氣量圖和表面氧化缺陷圖（如圖7、圖8所示）可以看出，在鋁液的澆注溫度從700℃降低到了607℃，同時(shí)還取消掉所有的冒口設(shè)計(jì)的情況下，其鑄造缺陷依然很少。采用半固態(tài)的充填方式后其成型件空氣卷入量并沒有增加，反而有所減少。其原因是半固態(tài)鋁液充型速度有所減慢，同時(shí)鋁液粘度較高，被空氣混入的幾率減少。但是通過比較，采用半固態(tài)充填后的鑄件表面氧化缺陷有所增加，這是因?yàn)榘牍虘B(tài)鋁液粘度大，充填溫度低，充填時(shí)表面組織光滑度下降所致。采用半固態(tài)充填時(shí)，適當(dāng)增加模具初始溫度并在冷卻時(shí)增加時(shí)長，以減少成型件表面缺陷的發(fā)生。

2.充填壓力比較

圖9 兩種充填方式的組織承受壓力比較

從鑄件組織承受壓力比較（如圖9所示）發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)充填后的組織承受壓力較為均勻，且組織承壓不大，液態(tài)充填后的組織承受壓力呈階梯狀分布，且整體承壓偏大。由于鑄件承受的壓力主要受制于壓射速度大小的影響，故壓射速度較大時(shí)材料組織承受力較大。同時(shí)半固態(tài)充填方式由于其材料粘度較大并不斷變化，且粘度還受鑄造溫度、材料剪切率及組織固相率等多方面影響，故半固態(tài)充填的壓射速度需謹(jǐn)慎選擇。

四、結(jié)語

綜合比較后發(fā)現(xiàn)，鑄件采用半固態(tài)的充填方案明顯比傳統(tǒng)液態(tài)充填鑄造方案在相關(guān)缺陷的控制方面要優(yōu)化很多，對鑄件減少空氣卷入的效果明顯，且鑄件表面氧化缺陷并沒有較大增加，這對結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的提高效果明顯。同時(shí)由于去掉了冒口的體積，整個(gè)鑄件重量明顯減少，鑄造完成后無需人工進(jìn)行冒口的清理工作，也保持了鑄件外形的美觀，這對降低企業(yè)生產(chǎn)成本的作用效果明顯。同時(shí)鋁液的熔煉溫度從700℃降低到了607℃，這也給企業(yè)節(jié)約了一大筆熔煉金屬的電力消耗支出，再加上鑄件充填溫度低，冷卻和開模時(shí)間將大為縮短，這對企業(yè)的生產(chǎn)效率提高也是一個(gè)極大的貢獻(xiàn)。雖然如此，在薄壁件、復(fù)雜件的鑄造過程中仍然存在半固態(tài)充型的速率不一致、易冷隔、表面粗糙度下降等問題也需得到重視。

本項(xiàng)目在對半固態(tài)鑄造成形技術(shù)、半固態(tài)數(shù)值仿真方法作了詳細(xì)分析和探討后，采用半固態(tài)鑄造方法模擬鑄件的制造工藝，最終取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。通過企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用證明，相關(guān)工藝方案效果理想，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足零件使用要求。同時(shí)相關(guān)工藝的使用可以使企業(yè)產(chǎn)品報(bào)廢率明顯降低，提高了企業(yè)的缺陷預(yù)測能力，具有一定的行業(yè)推廣價(jià)值。