工藝參數對鑄件質量影響的研究

阮曉芳，黃 偉，陸雪雯，莫志敏，牛思杰

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

進氣管質量的好壞直接影響著發動機的工作性能。影響進氣管質量的因素很多，包括進氣管的尺寸設計和澆注工藝的選擇等。其中，澆注工藝參數對進氣管縮松縮孔的影響最大。充分利用計算機數值模擬的優勢，提前對鑄件進行缺陷預測，確保鑄件的質量，降低研發成本，是目前鑄造業應用最廣泛的方法。近年來，采用數值模擬的方法研究鑄件質量的文獻很多，針對單個工藝參數對鑄件質量的研究也不少，同時對多個澆注工藝參數進行研究的很少，且研究不夠全面[1-2]。本課題將重點研究澆注流量、澆注溫度和模具預熱溫度對某款鋁合金進氣管縮松縮孔的影響，為進氣管的實際生產工藝提供參考。

1 進氣管有限元模型及工藝方案

進氣管零件的基本輪廓尺寸為523 mm×155 mm×130 mm，零件空腔較多且最薄壁厚達4 mm，屬于薄壁類鑄件，采用金屬型重力鑄造。根據實際澆注系統模型建立有限元模型，整個模型包括澆注系統、冒口、砂芯等。零件含有凸臺和過釘柱等厚大部分，在選擇澆注工藝時應考慮縮松縮孔和澆不足等缺陷的產生。零件的三維模型和模具裝配圖如圖1和圖2所示。

圖1 零件三維模型

圖2 模具裝配模型

2 正交試驗

2.1正交試驗設計

正交試驗則是采取部分試驗來代替全面試驗的方法，選取有代表性的試驗點來進行試驗。根據正交試驗規則，以零件縮松縮孔的體積為試驗指標，選取影響試驗指標的因素為因子，每個因子選取若干種水平[3-4]。鑄件在充型和凝固過程受諸多因素影響，其中包括澆注流量、澆注溫度和模具預熱溫度等主要因素，選取這三種因素作為本次試驗的影響因子。為了減少試驗次數并合理安排將試驗因素各水平的平均分布，每種因子選取三種水平。根據實際生產經驗，選擇A澆注溫度700℃、730℃、760℃，B模具預熱溫度300℃、330℃、360℃，C澆注流量0.4 kg/s、0.5 kg/s、0.6 kg/s.本次試驗選取了3個因素，每個因素有3個水平，選用進行9組試驗的正交表，具體組合水平如表1所示。

表1 正交表

2.2正交試驗結果分析

在Visual-Cast中按照以上正交試驗設計，調整相關參數依次對以上9組試驗數據進行模擬分析，并比對試驗結果。對于模擬結果的評價標準，主要參考以下幾點：

（1）金屬液的流動充填是否順暢，是否存在斷流現象；

（2）鑄件凝固時溫度場的分布情況；

（3）鑄件縮孔、縮松的體積大小及其位置分布情況；

在仿真模擬實驗中，大部分的縮松縮孔都能按照設計出現在冒口處，只有小部分出現在鑄件的凸臺處。在第⑦組試驗中，鑄件內的縮松縮孔體積最大，其中，造成缺陷最大的原因是鑄型的預熱溫度偏低且澆注流量大，縮松縮孔云圖如圖3所示。在第⑧組試驗中，縮松縮孔全部分布在冒口中，鑄件內出現縮松縮孔的概率低于30%，縮松縮孔云圖如圖4所示，該組試驗結果是9組試驗中較優的模擬結果。見表2.

圖3 第⑦組試驗縮松縮孔大于30%云圖

圖4 第⑧組試驗縮松縮孔大于30%云圖

表2 縮松縮孔體積表

記錄各組仿真試驗中鑄件內的縮松縮孔體積大小的數據，如表2所示。由表可知，因素C澆注流量對鑄件的縮松縮孔體積影響最大，金屬液的澆注流量越大，金屬液充型越快，充型時間越短，鑄件的補縮能力越差，越容易產生孤立液相區，鑄件產生的縮松縮孔體積就越大。其次是因素A金屬液澆注溫度，對鑄件縮松縮孔影響最小的是因素B鑄型的預熱溫度。

3 生產驗證

由上述的正交試驗中得到的一組較優工藝參數組合金屬液澆注溫度760℃、鑄型預熱溫度330℃、金屬液澆注流量0.4 kg/s，并將其運用到實際生產中。圖5為經過相關加工和噴漆等工序的進氣管零件，零件的致密性較好無明顯氣孔產生。通過解剖鑄件壁厚部分查看是否存在縮松縮孔缺陷。如圖6所示，對零件的兩個凸臺進行解剖，零件內部致密性良好，與仿真結果一致，生產線可依據獲得的最優工藝參數對產品進行大批量生產。

圖5 進氣管零件

圖6 零件解剖

4 結束語

基于仿真分析和正交試驗對發動機進氣管金屬型鑄造工藝參數進行數值模擬。通過研究發現，相對于金屬液澆注溫度和鑄型的預熱溫度，澆注流量對鑄件的縮松縮孔體積影響最大，并通過正交試驗得到一組較優的工藝參數組合，對比實際生產與仿真結果，驗證了仿真結果的準確性。

參考文獻：

[1]仇春荔，陶 盼，廖恒成，等.澆注速度對鑄件充型過程流場影響的數值模擬[J].鑄造，2007（11）：1190-1194.

[2]閆 蓋，鄭燕萍，張文彥，等.基于正交試驗的板料沖壓成形工藝參數優化[J].熱加工工藝，2013（17）：94-97.

[3]董 麗，同 超，周淑芳，等.基于正交試驗的汽車引擎蓋外板成形工藝參數優化[J].鍛壓技術，2016，41（11）：62-65.

[4]Cong Da Lu，Yi Lian Zhang，Shao Fei Jiang.Optimization of Molding Process Parameters for the CPU Fan Based on Or thogonal Experiment[J].Hangzhou：Conference on Digital Design and Manufacturing，2010（10）：7-11.