铝合金缸盖重力浇铸系统CAE模拟分析

作者:安徽江淮汽车集团股份有限公司 尚红标 王 跃 刘旭飞 发布时间:2019-09-10
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铝合金缸盖重力浇铸主要有底浇、顶浇及阶梯浇三种浇铸方式。出于工艺出品率及成本考虑,工厂量产时大多采用基于火力面朝下的顶浇方案进行缸盖生产。本文对同一个缸盖铸件设计了三种浇铸系统,并分别进行充型和模拟过程的CAE模拟分析。通过模拟结果发现,阶梯式浇铸系统更加符合平稳充型和顺序凝固的工艺要求,适用于缸盖样件无模快速成型试制。

缸盖结构 
2.0 L直列四缸柴油发动机缸盖属于复杂内腔的薄壁件,内腔外形不规则,最小壁厚3 mm,轮廓尺寸为长468 mm×宽195 mm×高134 mm,铸件材质为AC4B,质量18 kg。

铝合金缸盖重力铸造系统
1.工艺要求
铝合金缸盖采用重力铸造的铸造方式,铝合金凝固过程的液相收缩较大,浇铸系统应利于实现铸件的顺序凝固,保证铸件部分得到有效补缩。缸盖火力面为重要工作面,气密性要求高,且毛坯基准设计在火力面,浇铸时火力面应布置在底部,保证其成型质量。缸盖内部具有复杂型腔,型腔需采用砂芯砂型成型,浇铸过程需充形平稳以降低液流对砂芯的冲击破坏,同时充型过程还需要具有充足的排气通道,以减轻铸件产生气孔缺陷的倾向。
2.三种浇铸系统
为保证火力面的成型质量,三种方案均采用立式浇铸火力面朝下的浇铸姿态。底浇浇铸系统的内浇口位置选在火力面上,设置三道横浇道,顶部设置冒口兼具补缩和排气作用,底浇浇铸系统如图1所示。顶浇浇铸系统直接在冒口的顶部侧边设置浇口杯,金属液由浇口杯进入冒口自由流入型腔,顶浇浇铸系统如图2所示。阶梯式浇铸系统分别在缸盖的火力面和上端面两个平面设置横浇道及内浇道,浇铸时金属液先由底部横浇道引入至火力面进入型腔,待型腔内金属液浇液面升至缸盖顶面时再由上部横浇道充型,阶梯浇浇铸系统如图3所示。浇铸系统参数见表所示。

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CAE模拟
1.模拟结果
基于华铸CAE11.0软件模拟铸件充型和凝固的过程,模拟结果中铸件的温度由颜色表示。底浇浇铸系统模拟结果如图4所示,顶浇浇铸系统模拟结果如图5所示,阶梯浇浇铸系统模拟结果如图6所示。 

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2.模拟结果分析
根据模拟结果,底浇浇铸系统充型平稳,充型液面呈平面平稳上升,对铸型的冲击小。凝固开始时铸件温度场整体呈上高下低分布,温度梯度不大,固相首先出现在底部缸盖火力面,凝固过程由外部向内部进行,凝固中后段液相出现明显分离,最后凝固部位位于铸件内火花塞安装柱附近,铸件缩孔倾向大。充型由下至上,铸件排气通道顺畅,气孔倾向小。
顶浇浇铸系统充型液头进入铸型后迅速溃散,充型液面呈不规则形状激烈上升,充型不平稳,对铸型的冲击大。凝固开始时铸件温度场整体呈上高下低分布,温度梯度明显,固相首先出现在底部缸盖火力面,凝固前期呈明显的由下至上的顺序凝固,后期转变为由外部向内部进行,凝固后段液相出现明显分离,最后凝固部位位于补缩冒口内,铸件缩孔倾向小。充型由上至下,浇口下方区域在浇铸开始阶段就被金属液包裹,排气通道不畅,气孔倾向大。
阶梯浇浇铸系统充形平稳,充型液面呈平面平稳上升,充型平稳,对铸型的冲击小。凝固开始时铸件温度场整体呈上高下低分布,温度梯度明显,固相首先出现在底部缸盖火力面,凝固前期呈明显的由下至上的顺序凝固,后期转变为由外部向内部进行,凝固后段液相出现明显分离,最后凝固部位位于补缩冒口内,铸件缩孔倾向小。充型由下至上,铸件排气通道顺畅,气孔倾向小。

结语
通过缸盖浇铸系统CAE模拟分析发现,底浇浇铸系统充型平稳,气孔倾向小,但缩孔倾向大,工艺出品率最低,铸型长度尺寸最大,最不适用于生产。顶浇浇铸系统充型不平稳,气孔倾向大,但缩孔倾向小,工艺出品率高,铸型轮廓尺寸最小且铸型简单,采用倾转浇铸工艺可以消除该工艺的缺点,大批量生产时最适用。阶梯浇浇铸系统充形平稳、气孔倾向小,缩孔倾向小,但工艺出品率较低,铸型轮廓宽度最大,浇铸系统复杂。缸盖样件无模快速成型试制对铸件试制合格率要求高,对工艺出品率要求低,且全组芯试制具有造型灵活的特点,对铸型复杂轮廓包容度高,最适合采用阶梯浇浇铸系统。   

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