模拟软件在轮轴铸造工艺中的实用性

1充型模拟和凝固结果分析

1.1充型模拟：气孔和冲砂缺陷分析

充型和凝固过程只是铸件整个成形过程中的一小部分，但却是非常重要的部分，只有良好的充型和凝固才能保证生产出合格的铸件，MAGMA软件可以对铸件在充型温度、流动前沿处温度、充型速度、型腔气体压力、卷气、铁液与型壁接触时间等结果进行分析，还可以对凝固温度、空隙率、热模数、金相和力学性能等结果进行分析。通过充型和凝固过程可以查看充型和凝固过程是否合理、是否存在缺陷等，然后根据出现的问题分析解决方案，对模具设计进行优化。从图6中看出型腔中中间两根凸轮轴浇注温度最低，卷气最多，产生气孔的趋势最为明显也最多，与实际情况相一致。从图7中凸轮轴的模拟充型过程可以看出，各型腔铁液流动速度并不相同，边上的流动速度明显高于中间的流动速度，铁液在流入两头的集渣包后又返回到横浇道中，横浇道两头的集渣包起的作用不大。横浇道上的两个卡块在一开始时由于未充满顶部空间有气体，最后会像弹药库一样持续不断地把气体供应到中间两个型腔的凸轮轴中，结合图6结果分析，中间两根凸轮轴是整个系统中产生气孔缺陷趋势最为严重的两根凸轮轴。此外，从铁液实际充型的过程还可以看出铁液进入型腔时流速过快，内浇道直接对准型腔呈喷枪状冲击型腔，导致凸轮轴产生冲砂缺陷，表现为凸轮轴上箱部分100%呈一条线状的砂眼缺陷。此外，从铁液流动情况看出，过滤片离直浇道太近，阻流作用较弱。

1.2凝固模拟：铁素体超差缺陷分析

凸轮轴铸件的冷却效果受到铸件形状、砂型、浇注系统很多因素的影响，其冷却速度的快慢直接影响了铸件中铁素体的生成。统计结果显示，该凸轮轴铁素体易超标，各型腔的铁素体分布不均匀，#5型腔远高于其它型腔。凝固模拟也发现：凝固后#4，#5型腔取样位置的铁素体明显高于其余型腔，且#5略高于#4型腔。分析认为，这与#4，#5型腔离浇注系统过近有关。图8为凝固模拟后各型腔珠光体含量分布情况，可以看出#4，#5型腔中珠光体含量最低。图9为凸轮轴凝固后期的温度分布情况，在最后凝固时浇口杯及附近铸件的温度最高，影响整个砂型散热，导致此处附近的两根凸轮轴铸件被浇注系统持续加热，冷却较慢，此外浇口杯过大，热量大，影响周边散热，需要降低浇口杯温度，或者去除中间两根凸轮轴，改为1型6件。

2工艺优化措施

根据前面分析，对此凸轮轴的铸造工艺采取了以下改进措施。针对气孔缺陷：把60×60×10ppi的过滤片修改为75×75×20ppi的过滤片，增强横浇道缓流和阻流作用，增加撇渣能力和气泡溢出时间，减少过滤片处渣集气能力。针对冲砂缺陷的改进：改进浇注系统结构如图10所示，经验证对解决冲砂缺陷很有帮助，冲砂缺陷由原来的100%降低为0。通过采用75×75×20ppi的大过滤片，并使过滤片离直浇道较远增强其阻流作用，横浇道布置在下箱降低铁液流速等措施有效地改善了冲砂问题。针对铁素体不均匀现象，目前已采取的措施是调换取样位置离浇注系统很近的#5型腔上下模块位置，使取样位置背离浇注系统，经过改进后结果发现各铸件铁素体含量均匀，差异较小，建议可通过试验逐步改小浇口杯大小来改善冷却后铸件的散热。据业内人士介绍，目前有公司类似铸件采用冷却前对砂型中浇口杯浇冷水来促进其快速冷却，以提高铸件冷却速度，从而减少铁素体含量。鉴于图10改良后的结构较为复杂，推荐改进方式如图11。对浇注系统重新设计如下，横浇道布置在下箱，去除横浇道上部的集渣包，内浇道采用1供2的方式，采用大过滤片并远离直浇道，经过凝固模拟分析发现铁液经过过滤片后速度放缓，在气孔、铁素体均匀和冲砂问题解决上效果非常明显。MAGMA软件在凸轮轴模具设计和优化中的成功应用，提高了工艺优化的质量，缩短了铸件开发周期，降低了生产成本。

作者：黄 桦 陈之伟 宋吉浩 荣玉良 王旭淞 单位：上海通用东岳动力总成有限公司