原標題：CAE虛擬試驗在汽車發(fā)動機零件過濾器品質改善中的應用

摘要：由于汽車發(fā)動機的某些鋁合金壓鑄零件密封要求比較高，復雜而壁厚不均的內(nèi)部結構經(jīng)常導致該類零件的漏氣，造成零件的品質比較差。以某汽車發(fā)動機里面的過濾器的品質改善為例，以減小鑄件缺陷區(qū)域縮孔和氣孔為目標，對修改澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的虛擬試驗設計。運用計算機模擬，對比原方案與改善方案的結果，得出解決缺陷的方案。經(jīng)過現(xiàn)場的壓鑄試制與檢漏的試驗，改善方案對改善縮孔與氣孔缺陷效果明顯，零件的內(nèi)部品質得到明顯提高，并且保證了零件品質的穩(wěn)定性。

隨著節(jié)能減排要求的提高，汽車的鋁合金壓鑄件要求功能集成化輕量化，導致了發(fā)動機內(nèi)部的零件結構越來越復雜，關鍵零件的密封要求越來越高，出現(xiàn)了較多壁厚差別非常大而且密封要求高的零件。而在制造這類壓鑄零件時，壁厚的差異導致不能順序凝固，常在厚壁部位出現(xiàn)縮孔缺陷；與其同時，壁厚的差異也導致填充的過程卷入氣體，造成該區(qū)域出現(xiàn)氣孔的缺陷。鑄件常在厚壁區(qū)域出現(xiàn)縮孔與氣孔疊加的缺陷，導致達不到密封要求，試漏驗證不合格。由于缺陷區(qū)域范圍寬，零件結構比較復雜，不能通過局部擠壓的工藝來解決缺陷問題，只能通過改善冷卻系統(tǒng)與澆注系統(tǒng)的工藝來解決缺陷。在CAE模擬軟件使用之前，壓鑄改善措施及改善效果沒有足夠的數(shù)據(jù)支撐，導致技術人員基本上憑借經(jīng)驗和感覺去確定改善的方案，往往會耗費較多的時間和資源。

本課題以某汽車發(fā)動機的過濾器品質改善為例，以減小鑄件內(nèi)部縮孔和氣孔為目標，對改善方案進行虛擬試驗。經(jīng)過計算機自動運算，結果對比，分析改善方案對零件的內(nèi)部品質的改善的效果，從而確定最佳的改善方案，以提高經(jīng)濟效益。

1、鑄件的基本介紹

圖1為某汽車發(fā)動機過濾器的結構圖。其零件毛坯質量為6.48 kg，材質為AlSi9Cu3。零件的基本輪廓尺寸為458.6 mm×246.9 mm×186.6 mm，平均壁厚為5 mm，其中最大壁厚為15 mm，最小壁厚為3 mm，屬于結構比較復雜的零件。零件用于固定機油濾清器及冷卻機油，為耐壓密封件。該零件要求在0.3 MPa的壓力下進行水檢，泄漏量小于5 cm3/min，而且內(nèi)部品質要求滿足ASTM E505 2級的標準。

2、缺陷描述

根據(jù)零件的結構和技術要求，設計并制造帶有完整的澆注系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)的壓鑄模具，并進行壓鑄試制及試漏檢測，發(fā)現(xiàn)三處圓角位有泄漏的現(xiàn)象，見圖2。該缺陷造成的報廢率高達30.8%。為了分析泄漏的原因，將零件漏氣部位分成A區(qū)與B區(qū)并進行解剖。通過觀察零件的解剖圖，發(fā)現(xiàn)在A區(qū)與B區(qū)厚料位置出現(xiàn)表面粗糙而且形狀不規(guī)則的縮孔，見圖3和圖4。初步估計水檢試漏的時候，高壓的氣體通過內(nèi)部的縮孔從圓角的位置溢出。

3、缺陷改善

3.1 CAE分析缺陷的形成原因

用MAGMA SOFT對原方案進行CAE模擬，通過軟件對模擬的零件模型進行剖切，發(fā)現(xiàn)漏氣區(qū)域A區(qū)與B區(qū)熱節(jié)很嚴重，見圖5和圖6。由于該區(qū)域比較厚，在凝固過程中冷卻比較慢，最終在零件內(nèi)部形成不規(guī)則的縮孔。另外通過對模擬填充的氣壓分析，發(fā)現(xiàn)漏氣區(qū)域A區(qū)與B區(qū)的氣壓比較高，而且范圍比較寬，形成氣孔的風險比較高，見圖7和圖8。初步推斷漏氣產(chǎn)生的原因是高熱節(jié)與高氣壓疊加造成。

3.2 缺陷的改善措施

根據(jù)以上分析，解決零件的漏氣缺陷必須解決高熱節(jié)與高氣壓的問題。解決熱節(jié)引起縮孔的最佳方法是采用局部擠壓，但該漏氣區(qū)域范圍大、產(chǎn)品形狀比較復雜，不能采用該工藝。只能通過改善冷卻系統(tǒng)的冷卻效果來解決高熱節(jié)問題。具體措施：把零件漏氣區(qū)域的模具相應位置的兩條直冷改為7根單獨的點冷，每條點冷單獨控制水溫與流量，大幅提高該區(qū)域的冷卻效率，見圖9和圖10。另外，為了降低缺陷位置的氣壓和加強增壓補縮能力，把靠近缺陷位置的內(nèi)澆口截斷，見圖11和圖12。

3.3 CAE驗證改善方案

把改善方案放在MAGMA SOFT中進行CAE模擬，通過對改善方案與原方案的模擬結果對比，分析得出，在凝固過程中，改善方案的A區(qū)與B區(qū)的熱節(jié)區(qū)域范圍縮小，熱節(jié)數(shù)值也大幅降低（A區(qū)熱節(jié)由原來的27.2 s降到17.1 s，B區(qū)熱節(jié)由原來的30.0 s降到20.4 s），見圖13和圖14。改善方案的A區(qū)與B區(qū)高氣壓區(qū)域完全消失，見圖15和圖16。從CAE的模擬結果分析，改善方案對A區(qū)和B區(qū)的縮孔與氣孔缺陷改善效果比較明顯。

3.4 現(xiàn)場壓鑄及檢漏驗證

采用改善方案進行壓鑄試制，并對制造的零件的風險區(qū)域進行剖切，發(fā)現(xiàn)A區(qū)與B區(qū)的不規(guī)則的氣縮孔消失，該區(qū)域材料比較致密，沒有明顯的氣孔與縮孔存在，見圖17和圖18 。經(jīng)過現(xiàn)場試漏水檢測，泄漏問題得到基本解決，零件報廢率由原來的30.8% 降到0.8%，缺陷問題得到基本的解決 。該零件滿足客戶的技術要求，并且實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

4、結語

描述了某汽車發(fā)動機零件過濾器的品質改善過程，利用現(xiàn)場的壓鑄工藝經(jīng)驗與CAE模擬結合，分析缺陷的形成原因，并制定有效的改善方案，縮短了零件的開發(fā)周期。CAE試驗模擬作為一種工藝改善的工具，可以應用于零件品質的提升和改善中，能有效節(jié)省改善成本以及縮短試驗周期，提高零件的品質和經(jīng)濟效益。

作者：

張玉龍 陳國恩 朱宇 安肇勇
廣東鴻圖科技股份有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第12期