 图1: 平衡轴孔处的截面 低压铸造技术具有工艺出品率高，充型平稳，自动化程度高等特点，是实现汽车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施。低压铸造首先是将干燥的压缩空气压入密封坩埚内的液面上，使金属液在气体压力的作用下沿升液管自下而上地上升，充满升液盆，再通过浇口和浇道平稳地充满铸型，并在压力下凝固。然后释放液面上的气体压力，使浇口、升液盆和升液管中没有凝固的金属液靠自重流回到坩埚中，再将铸型打开，取出铸件。 我厂生产的某四缸发动机缸体采用A356铸造铝合金，外形尺寸约430mm×360mm×330mm，最小壁4mm，采用低压铸造成型。因结构复杂，薄厚不均，在凝固过程中易存在热节，而缩孔和缩松通常发生在铸件的热节处。试生产的过程中，为了确定热节位置及大小，判定缩松产生的风险，更快地解决问题，我们采用MAGMASOFT®进行模拟计算。MAGMASOFT®是一款商业化的铸造模拟软件，因为其模拟的准确性，所以广泛应用于重力铸造、低压铸造、高压铸造等领域，是进行缺陷模拟、工艺优化的有力工具。
图2：缩松的X射线照片
图3：缩松的MAGMA模拟结果 缺陷描述 缸体铸件的平衡轴孔处的截面结构如图1所示，当用X光做全身探伤检测时，发现有些铸件在平衡轴孔的侧上方有小的缩松（如图2），通过MAGMASOFT®做数值模拟，可以看到此处有产生缩松的倾向（如图3），模拟结果和使用虚拟试验设计DoE(Design of Experiment)优化参数。 使用虚拟试验设计DoE(Design of Experiment) 优化参数 解决缩松问题，通常从减小缺陷位置的热节大小或者加强热节周边对它的补缩两方面考虑。基于MAGMASOFT®已经可以模拟出这个缺陷，那么我们通过不同参数组合后，对比模拟结果，就可以比较出更优化的方案。 通过分析铸件结构和模具内加热和冷却系统的分布，对铝液的温度，侧模加热的温度，底模加热的温度，侧模冷却开启时机，底模冷却的开启时机等参数进行试验设计DoE(Design of Experiment)，共生成了72组模拟方案。将所有的72组模拟方案排序：可以看到第36组的参数组合所产生的缩松体积最小（如图4）。
图4：模拟方案排序
从DoE的相关矩阵图（图5）可以看出： 将底模冷却开启时间延后，冷却时长缩短，充型的铝液在经过底模时温降较小，补缩能力更强，会使缩松减小，但是影响不大。
图5：相关矩阵图 基于上述结果及分析，我们将参数调整的重点放在铝液温度和加强侧模中间的冷却上。通过生产验证，并且综合了不同参数下的力学性能，我们确定浇注温度730℃，侧模冷却从铝液上升到浇口处立即开启，冷却200s的方案。经过批量生产验证，将该缩松导致的报废在原基础上减少约50%。 应用MAGMASOFT®的几何体交换功能辅助结构优化 由铸件凝固过程的液相分数结果可以看出，缩松区域在凝固过程中会形成孤立的液相区，从侧上部对该部位补缩的通道比较狭长，从下部浇口到该部位的补缩通道会较短，但是因为通道狭窄导致凝固后期补缩中断。如果能拓宽从浇口到孤立液相区的通道，那么充分利用低压铸造时液态金属在压力作用下可自下而上地补缩铸件的条件，可以减小甚至避免缺陷产生。 由于平衡轴孔后续会进行加工考虑把此处的砂芯尺寸变小，增加铸件的厚度。使用MAGMASOFT®的几何体交换功能，模拟如图7所示的方案A。将平衡轴孔处的砂芯，沿水平的直径方向向右侧去除5mm、10mm和15mm。从模拟结果看，随着补缩通道的加宽，缩松变小直至消除，也没有发现周边其他可能被影响到的区域有任何新的缺陷产生。证明了这个思路是正确的。但是这个方案在粗加工时会引起刀具受力不均，可能会对刀具造成损伤。于是又模拟了方案B， 将平衡轴孔处的砂芯直径整体进行调整。分别模拟从36.5mm减小到32mm，28mm，24mm，20mm的充型凝固过程。从模拟结果可以看出，随着平衡轴孔直径的缩小，补缩通道越来越宽，缩松越来越小。到20mm时缩松已经完全消除。
图6：凝固后期的液相分数结果 在生产验证时，考虑适当减少后续的加工量，砂芯强度等因素，并且观察到当直径改为28mm时，模拟出的缩松体积减小到原体积的约1/3，实际生产时极有可能没有缺陷或者缺陷符合标准要求。于是先测试了直径变为28mm的方案，并且相应地调整粗加工的程序，把增厚的材料加工掉。经过批量生产验证，并100%检查，所有测试件都无此缺陷。
图7：平衡轴砂芯优化方案A
图8：平衡轴砂芯优化方案B
结论 本文来自：迈格码 |
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