基于數值模擬的汽車發動機缸體鑄造缺陷預測

■ 高 超，楊 齊

我公司某型號汽車發動機缸體產品返修率約30%，長期以來居高不下，主要問題是澆注上頂面產生的氣孔、氣疤缺陷（見圖1）。為進一步提高產品質量，降低返修成本，需對產生此問題的原因進行分析。

本文通過對某發動機缸體產品的鑄造過程數值模擬，分析并預測產生氣孔、氣疤的原因，為下一步工藝改進提供參考。

1. 產品結構

該產品為典型的汽車發動機缸體，其基本尺寸為1146mm×598mm×542mm，理論重量約400kg，主要壁厚約10mm，產品結構如圖2所示。

2. 澆注系統

該產品澆注系統采用雙層澆道，鐵液由第一層直澆道進入，由第一層橫澆道往兩邊流動，再經第二層兩個直澆道至第二層橫澆道，經兩層橫澆道的7個內澆道底注進入產品型腔充型；型腔內液面升高，鐵液逐漸由第二層內澆口流出，充型進入產品型腔；鑄件上表面放置多個出氣針，方便排氣。產品的澆注系統如圖3所示。

3. 鑄造工藝模擬

采用Procast軟件對產品鑄造工藝進行數值模擬。將產品、澆注系統、出氣針等三維模型導入ProCast軟件進行前處理。根據產品結構劃分面網格和體網格，體網格數量約369萬個。

在劃分好網格后，需對產品的材料及鑄造工藝參數等進行設置。該產品材料為HT250，采用砂型鑄造，型砂材料為呋喃樹脂砂，澆注溫度為1405℃，型砂初始溫度為20℃，鑄件與型砂間的換熱系數取1000W/（m2·K），澆注時間為25s。

圖1 產品缺陷

圖2 產品三維結構

圖3 產品澆注系統

4. 數值模擬結果

（1）充型過程 圖4為澆注過程中鑄件充型20%、40%、60%、80%時的情況。從圖中可以看出，鐵液在吊環一側首先充滿吊環，其余部分由內澆道較平穩地向前推進，同時處于兩二層直澆道處的內澆道開始流出鐵液，但由于壓力尚未建立，故該處流入型腔的趨勢較緩；之后，型腔內部液面平穩上升，充型約40%時，兩二層直澆道處的內澆道開始向型腔內充型，充型過程比較平穩。

（2）氣孔、氣疤的預測及原因分析 為對產品型腔上表面出現的氣孔、氣疤進行預測，此處對型腔頂面的充型過程做詳細分析。由圖5a～5f可知，在型腔頂面的充型過程中，出現了多個由鐵液包裹的區域，且該區域并未放置對應的出氣針與型腔外界的大氣聯通，故該區域易憋氣并產生氣孔或氣疤，易產生氣疤的區域與實際生產情況一致（見圖1）。

由圖5可知，當型腔由各檔軸承座平穩充型上升至頂面時，由于頂面的限制，液面不能繼續上升；缸體兩端面也被限制，液面只能由兩端面往中間流動；同時，各軸承檔充型至頂面時也被限制，從而液面由各軸承擋與頂面的連接處前端往兩邊擴散；因此，在相鄰軸承檔中間將出現多個被液面包裹的區域，若這些區域不能與外界連通，順暢排氣，則極易形成憋氣，造成氣孔、氣疤的出現。

圖4 充型過程溫度場

圖5 氣孔、氣疤預測及原因分析

5. 結語

采用數值模擬的方法對產品氣孔、氣疤的形成進行預測及原因分析，結果與實際生產情況一致，可為后續產品工藝的改進、質量的提升、返修成本的降低提供支持。