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铝合金发动机支架压铸工艺设计及优化

陈子业 等 发表于2022/11/18 18:26:51 发动机支架压铸工艺

摘要:根据汽车发动机支架结构进行压铸工艺设计,利用ProCAST软件对铝合金发动机支架压铸工艺进行数值模拟,分析了铸件缺陷产生的位置及原因,通过对比选择出一种较优的工艺设计,并进行改进优化。结果表明,获得的优化方案消除了铸造缺陷,提升了铸件品质,经生产验证后满足技术要求。

汽车发动机支架是发动机悬置系统的重要组成部分之一,它起到了连接发动机和减振元件的作用。车辆在运行过程中,发动机支架通常要受到路面冲击和发动机振动,因此对力学性能要求较高,需要足够的强度、刚度和使用寿命。采用压铸工艺生产的铸件尺寸精确、力学性能优良、内部组织致密,且能大批量生产,因此,可用于制造发动机支架。

在铸造生产过程中,由于发动机支架壁厚不均,且结构复杂,因此容易产生缩松缩孔等缺陷,造成强度和刚度不足,影响汽车的行驶安全。为提高某公司铝合金发动机支架的综合成品率,本研究对发动机支架进行压铸工艺设计,利用ProCAST软件进行数值模拟仿真,通过模拟分析可能出现气孔、缩松、缩孔等缺陷的位置及原因,并进行工艺的改进优化,可以有效避免铸造缺陷的产生,降低试制成本,提高成品率,为该类零件的生产提供参考。

1、仿真模型与初始工艺设计

1.1 铸件结构

发动机支架结构如图1所示,材质为ADC12铝合金,ADC12铝合金化学成分如表1所示。铸件平均壁厚6 mm,最大壁厚22 mm,外形尺寸为220 mm×246 mm×118 mm,重量1.687 kg。铸件总体呈板状,结构较为复杂,局部壁厚尺寸差距较大。铸件要求去毛刺,收缩率为0.5%,无缩孔、缩松、裂纹和冷隔等铸造缺陷。

图1 发动机支架结构

表1 ADC12铝合金化学成分 wB/%

1.2 压铸工艺设计

1.2.1 分型面选择

根据发动机支架结构分析,铸件投影面积最大区域为底部安装孔所在的平面,因此,将该平面选择为分型面。

1.2.2 内浇道设计

为了使金属液流入的流程尽可能短,减少热量损失,将内浇道位置设计在铸件的斜边处。同时为避免金属液正面冲击型芯,将图2中的方案二中最下部的孔改为加工孔。内浇道的截面积计算如下。

式中:Ag为内浇道的截面积,m㎡;V为通过内浇道的金属液的体积,mm³;v为金属液流经内浇道的充填速度,m/s;t为充型时间,s。取充填速度为30 m/s,充型时间0.06 s,内浇道壁厚2.5 mm。计算得内浇道的截面积Ag=370 m㎡。

1.2.3 横浇道设计

横浇道的结构形式主要取决于内浇道的形状、位置、方向和尺寸。横浇道的厚度可由以下公式计算。

D=(5~8)T  (2)

式中:D为横浇道厚度,mm;T为内浇道厚度,mm。取D=14 mm,为了便于铸件更好的脱模,设置横浇道的起模斜度为15°。

横浇道的结构设计如图2所示,方案一采用扩张式横浇道,方案二采用分叉式横浇道。

图2 浇注系统结构示意图

1.2.4 直浇道设计

直浇道的大小与压铸机的压室直径有关。本研究压铸机选用J114卧式冷室压铸机,压室直径选取80 mm,余料厚度设置为10 mm。

1.2.5 溢流槽设计

孔洞周围是金属液汇流和最后充填的地方,容易裹入气体和产生涡流,因此,将溢流槽设置在孔洞外侧。同时为便于溢流槽加工,将其设置在动模上。

2、数值模拟分析

将三维模型导入模拟软件ProCAST中进行网格划分,设置铸件网格单元尺寸为3 mm,模具网格单元尺寸为10 mm,共生成网格数量为2 099 277。铸件材料选用ADC12,模具材料选用H13。铸造工艺参数如表2所示。

表2 铸造工艺参数

2.1 充型过程分析

方案一的充型过程如图3所示。金属液在通过内浇道后,首先向右侧充填,在右侧充填完成后金属液向左侧流动,直至充满,总充型时间0.182 s。在金属液充填时,由于型芯的阻碍,在型芯背后形成了死角区,如图3圈中所示,这可能会导致涡流和包气的产生。方案二的充型过程如图4所示。金属液在通过内浇道后,首先向后侧充填,到达最后侧之后,开始向两侧充填,直至充满,总充型时间为0.176 s。相对于方案一,金属液在流过中部的型芯后不会出现死角区,但在往左侧充填的过程中,多股金属液汇流,如图4圈中所示,易裹入气体。

图3 方案一充型过程

图4 方案二充型过程

两种浇注系统在充型过程中金属液流动平稳,无飞溅现象,金属液从浇注系统流向铸件,最后流向溢流槽。因此,这两种浇注系统都比较合理,但需进行进一步优化。

2.2 凝固过程分析

方案一的凝固过程如图5所示。凝固首先从远离内浇道处开始,即铸件右上部,之后逐渐朝浇道方向凝固。当t=15.54 s时,内浇道基本凝固完成,此时铸件大部分区域已经凝固,但一些壁厚较大的部分,还未完全凝固。从整个凝固过程温度场变化来看,凝固时并没有实现顺序凝固,一些壁薄的地方先凝固,而壁厚的位置最后凝固,而且壁厚位置远离浇口,很容易在凝固时产生孤立液相,无法补缩,最终形成缩松缩孔缺陷。方案二的凝固过程如图6所示。相对于方案一,方案二的内浇道凝固完成时间更早,因此更难以对壁厚区域进行补缩。同时,在壁厚处,方案二的凝固温度也比方案一高一些,因此,也更容易产生热节。

图5 方案一凝固过程温度场变化

图6 方案二凝固过程温度场变化

2.3 缺陷分析

图7为两种方案的缩松缩孔分布图。铸件产生缺陷集中的地方是铸件加强筋壁厚较大的地方,其原因是铸件在此区域凝固时温度较高,金属液凝固较慢,凝固速率不均匀,此时会造成细小的孔洞被孤立,从而在完全凝固时得不到金属液的补缩,出现缩孔、缩松缺陷。对比两种浇注系统,可以发现这两种浇注系统出现缩松缩孔位置大致相同,但在缩松缩孔体积方面,在去除溢流槽后,方案一的缩松缩孔体积为0.136 cc,而方案二的缩松缩孔体积为0.939 cc。因此,在减少缩松缩孔方面,方案一更优。

图7 缩松缩孔分布图

图8为两种浇注系统裹气量的分布图。裹气量的大小与充型过程密切相关。方案一在充型过程中由于型芯的阻碍,产生了死角区,特别是最下部孔洞处裹气严重,而且由于设计不当,溢流槽无法完全发挥作用。在去除溢流槽后,方案一的最大裹气量为0.002 37g/cm³。方案二在充型过程中较为顺畅,卷入的气体较少,在去除溢流槽后,最大裹气量为0.001 09 g/cm³。因此,在减少裹气量方面,方案二更优。

图8 裹气量分布图

综合比较两种浇注系统,虽然方案二在充型方面较方案一更优,裹气量更少,但在缩松缩孔方面,方案一产生的缺陷明显较少。因此,选用方案一作为后续工艺改进的方案。

3、工艺改进

3.1 优化方案

由于初始工艺无法得到符合要求的铸件,需要对其进行优化,主要包括对溢流系统的优化和增加冷却系统两个方面。

在充型过程中,针对中间型芯后部产生的死角区,将中间的孔洞改为加工孔,这能使金属液的流动更为顺畅,同时也增加了局部厚度,使其最后凝固,为周围提供补缩作用,使缺陷得以转移到加工孔内。针对铸件下部裹气量严重的问题,将下部侧边的两个溢流槽合并,并且加大尺寸和容积,增强溢流作用。由于下部孔洞周围壁厚差距较大,因此将最下部的溢流槽加厚,且使用较厚的溢流口,在排除气体和夹渣的同时能转移缩松缩孔,起到冒口的作用,改善此处内部质量。溢流系统优化如图9所示。

图9 改进后的溢流系统设计

在凝固过程中,针对壁厚处凝固温度较高且凝固慢的问题,增加冷却系统,调整凝固时温度场分布,实现顺序凝固。冷却系统采用水冷,冷却水温度15 ℃。冷却水管路分布如图10所示,冷却工艺参数如表3所示。

图10 冷却管路分布图

表3 冷却工艺参数

3.2 优化方案模拟

对优化后的工艺方案进行数值模拟,充型过程及凝固温度变化如图11所示。可以看出,整个充型过程非常平稳,金属液没有出现分离回流等状态,中间部位在充型过程中也没有出现死角区。在凝固过程中,除了远端先凝固外,增加冷却系统的壁厚处表面也开始提前凝固。与此同时,中间部位变为加工孔后,局部厚度得以增加,使其相对于周围最后凝固。最下方的溢流槽由于加厚,延长了凝固时间,使其晚于铸件下部凝固。

图11 优化后的充型过程及凝固温度场变化

图12为优化后的铸件裹气分布情况。可以看到,裹气基本都发生在溢流槽内,有效减少了铸件内部的裹气量。在去除溢流槽后,最大裹气量为0.001 21 g/cm³,相对于优化前降低了一半。

图12 优化后裹气量分布图

图13为优化后的铸件缩松缩孔分布情况。可以看出,中间部位的缺陷转移到了加工孔内,最下部的溢流槽也起到了补缩作用,使缺陷从铸件中转移出来。其他部位的缩松缩孔缺陷也因为冷却系统的作用而得到了消除。

图13 优化后缩松缩孔分布图

3.3 优化方案验证

为了进一步验证优化后方案的可行性,对优化后的方案进行试制,实际生产的铝合金发动机支架如图14所示。通过X探伤及相关检测,未发现缩松缩孔、裂纹及冷隔缺陷,满足技术要求,可进行批量生产。

图14 发动机支架铸件实物图

4、结束语

(1)根据发动机支架结构,设计了两种压铸工艺方案。通过数值模拟仿真,对充型凝固过程进行分析,对比选出一种较优工艺方案。

(2)通过改进溢流系统和增加冷却系统,使得发动机支架铸件无缩松缩孔缺陷,裹气量大大减少,满足技术要求,可以用于指导此类铸件压铸工艺设计。

作者:

陈子业 苏小平
南京工业大学 机械与动力工程学院

本文来自:《铸造》杂志2021年第12期第70卷

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