基于正交試驗的發動機連體軸瓦鑄造工藝優化

雷艷淼，余貴，董菊明，沈默

（黃岡師范學院機電與汽車工程學院，湖北黃岡 438000）

0 引言

發動機主軸承蓋是汽車發動機的關鍵零部件，用量大、工作環境復雜、承受載荷大，對產品質量有較高要求。發動機主軸承蓋一般采用砂型鑄造進行生產，對質量和性能要求都非常高，鑄件表面不允許有砂眼、渣孔和氣孔等鑄造缺陷，鑄件內部不允許有縮孔、縮松和針孔等缺陷[1]。

隨著流體傳熱及凝固理論的成熟和數值模擬技術的發展，鑄造工藝數值模擬獲得了快速發展[2]。利用數值模擬，鑄造工作者可以對鑄造全過程進行模擬仿真，在實際生產之前驗證或優化所采用的鑄造工藝參數，克服了鑄造業長期存在的試制周期長、鑄件成本高、質量難以控制等缺點, 對鑄造結果和缺陷基本可以做到“未鑄先知”和“防患于未然”[3-7]。本研究利用Anycasting軟件對發動機主軸承蓋鑄造工藝進行數值模擬正交試驗，采用統計方法研究了影響鑄件質量的因素，優化了鑄造工藝參數，并通過生產試制得到質量合格的產品。

1 鑄件概況

某發動機主軸承蓋5件連體鑄件毛坯（如圖1），輪廓尺寸為148 mm×114 mm× 68 mm，鑄件質量為5.4 kg，平均壁厚為30 mm，材質為QT500-7球墨鑄鐵。根據毛坯零件圖設計鑄件三維造型如圖2所示，該連體鑄件加工為5個單體發動機主軸承蓋。要求對鑄件進行X射線探傷檢測，加工面不容許有任何縮松缺陷，非加工面內部縮松等級滿足ASTM E446 2級。鑄件的化學成分要求如表1所示。材料力學性能要求：抗拉強度≥450 MPa、屈服強度≥310 MPa、伸長率≥10%、布氏硬度為160～221 HB。

表1 化學成分要求 %

圖1 毛坯二維簡圖

圖2 發動機主軸承蓋5件連體鑄件三維實體模型

2 鑄造工藝設計

根據企業造型線實際，澆注系統采用“一模四件”的水平造型線方案，設計澆注系統如圖4所示，鐵水流經冒口進入鑄件，冒口頸作內澆道。澆注系統采用前封閉、后開放設計，F內>F阻

圖4 鑄造工藝方案

冒口的設計采用模數法，選用直徑為70 mm、高為140 mm圓柱冒口，模數為1.31，拔模斜度為5°，一個冒口要同時補縮兩個鑄件。由文獻[8]經驗公式計算總阻流面積F阻=720 mm2，每個阻流截面積為360 mm2，設計成6 mm×60 mm阻流薄板。F阻∶F橫∶F直=1 ∶1.15∶1.2。

圖3 冷鐵尺寸

實際生產發現中發現，對球墨鑄鐵的汽車零配件中的安全件，受實際生產制程波動的影響，應用均衡凝固理論，縮松穩定性差。汽車安全件要求實現穩定的產品零縮松，不合格件將直接導致召回，故本次工藝優化仍以實現順序凝固為主要設計優化思路。實現順序凝固的辦法是冒口搭配冷鐵，冷鐵尺寸如圖4所示，位置如圖4中的1、2、3、4處。

冷鐵具體位置以冷鐵端面與鑄件端面偏移量L表示，如圖4（b）所示。冷鐵位置偏移量L和澆注溫度、澆注高度是影響本鑄件質量主要因素，為此設計正交試驗，尋找最優化工藝參數。

3 正交試驗及結果

3.1 Anycasting前處理

以給定網格總數的方法進行網格劃分，最終確定網格總數為4 004 325。QT450球墨鑄鐵液相線溫度為1148 ℃，固相線溫度為1080 ℃。熱傳導系數設置：冷鐵與鑄件之間為3000 W/（m2·K），冷鐵與砂模之間為1000 W/（m2·K），鑄件及澆注系統與砂模之間設為Variable，具體變化規律如表2所示。澆口半徑設為17.5 mm，收縮模型為重力收縮。

表2 鑄件與砂芯的傳熱系數

3.2 正交試驗及結果分析

用冷鐵位置偏移量、澆注溫度和澆注速度設計三因素三水平正交試驗，如表3所示。為了解各因素對鑄件質量的影響，根據表3設計確定了9種試驗方案，如表4所示。使用Anycasting高級鑄造分析中以殘余熔體模數為參數的缺陷概率均值（鑄件本體部分）為考核指標，充型時間和凝固時間作為輔助參考。

表3 正交試驗因素水平表

表4 正交試驗方案及結果

根據表4正交試驗結果，從直接最優化角度分析，第6組的缺陷概率最低，為0.088 656 6%。工藝組合為A2B3C1，即冷鐵偏移27 mm、澆注溫度1430 ℃、澆注速度1.5 m/s。

對正交試驗9個方案結果進行統計分析，得出表3中的P1、P2、P3、Q1、Q2、Q3及R。其中P1、P2、P3分別代表A、B、C因素第1、2、3水平所對應的缺陷概率之和；Q1、Q2、Q3分別代表A、B、C因素第1、2、3水平所對應的缺陷概率之平均值，R代表A、B、C因素各水平平均值的極差。由表4極差R分析結果可見，因素影響的大小順序為A>B>C,即冷鐵位置影響最為顯著，其次是澆注溫度，澆注高度影響因素較小。以每個因素的水平為橫坐標，以考核指標的平均值（即Q1、Q2、Q3）為縱坐標，繪制各因素的趨勢圖，如圖5所示。由Q1數值可知，因素A取二水平效果最優（缺陷概率最小），同理因素B取三水平最優，因素C取二水平最優，最優組合為A2B3C2，即冷鐵偏移位置為27 mm、澆注溫度為1430 ℃、澆注高度為2.0 m/s，但該組合并未出現在9個試驗方案中，它是基于統計的結論。

圖5 各因素趨勢圖

3.3 基于最優參數組合的模擬

根據正交試驗分析結果，使用Anycasting對參數組合A1B1C3最優進行工藝模擬（如圖6），模擬結果為：充型時間為2.3088 s、凝固時間為1558.2377 s。充型順序層次分明、充型動畫顯示充型平穩、無卷氣。鑄件實現了完全順序凝固，最后凝固位置在冒口中，鑄件得到有效補縮。缺陷預測顯示鑄件本體零縮松，縮松縮孔缺陷均在冒口和澆道中。模擬結果證明，優化的工藝參數是合理可行的。

圖6 基于最優參數組合的模擬

4 生產試制驗證

對本工藝方案進行產品試制（如圖7），X射線探傷檢測結果如圖8所示，檢測結果表明鑄件內部組織致密，無縮孔、縮松和超標缺陷顯示，鑄件質量均符合要求，試制結果與鑄造工藝數值模擬結果是一致的。試制結果表明，鑄造工藝方案及工藝參數合理可行。

圖7 試制樣品

圖8 X射線探傷檢測結果

5 結論

1）使用Anycasting鑄造模擬軟件對發動機軸瓦連體鑄件進行了基于數值模擬的正交試驗，并根據統計分析得出了最優工藝參數組合，試驗成本低、周期短。

2）以缺陷概率為考核指標的統計分析表明A1B1C3是最優工藝參數組合，即澆注溫度為1420 ℃、澆注高度為0.2 m、冷鐵偏移位置為27 mm。生產試制及檢測證明產品致密性良好，無縮松、縮孔缺陷，工藝方案和工藝參數合理可行。