原标题：铸件优化！基于数值模拟的正时链盖压铸工艺研究

汽车发动机正时链盖采用铝合金高压铸造生产，安装在发动机侧面，是发动机正时齿轮及链条保护罩。汽车零部件轻量化一直是汽车零部件研发的方向和目标，因此铝合金高压铸造零件也趋向于形状复杂的薄壁件。由于正时链盖结构、形状的特殊性，同时产品的尺寸、性能、表面质量都有很高的要求，给铸造工艺带来很大的难度。因此在开发前期，借助AnyCasting软件对不同结构的浇注系统进行数值模拟分析，可以快速确定合理的工艺方案，降低模具开发的成本和时间。

图文结果

图1为一款新研发的正时链盖3D图。从外形来看该零件呈羊角状，中间镂空区域较大，薄壁处设计有加强筋，周边有不规则的窄条密封面。铸件外形轮廓尺寸为590 mm×356 mm×46 mm，质量为2.135 kg，铸件中部一般壁厚为2 mm。铸件材质为ADC12合金，密封性能要求在100 kPa压力下，允许泄漏量最大为10 mL/min。由于正时链盖安装在发动机侧面，又是外观件，铸件不允许有流痕、冷隔等表面缺陷。

对正时链盖的壁厚和起模斜度进行分析，见图2。铸件中间壁厚为2 mm，边缘最大壁厚为21.9 mm；起模斜度≥1.5°，满足工艺要求。依据铸件起模角确定分型线，主分型面选择在铸件最大轮廓处，为平面分型面，局部异形按分型线形状设计局部分型面，因铸件无侧向抽芯和凹陷，所以无需设置侧抽分型面。

内浇口的位置设计是浇注系统设计的关键，内浇口一般设计在分型面上铸件厚壁区域，有利于压射压力的传递，此正时链盖的内浇口可以布置在外边缘的厚壁处。为防止内浇口冲击型芯，铸件适合采用多股分支浇道分区域充填。

图1 正时链盖3D图

图2 铸件分型面的确定

铸件投影面积为980 cm2，浇注系统投影面积取铸件投影面积的30%，总投影面积约1 274 cm2。由于铸件属于薄壁密封件，压射比压选择100 MPa，安全系数取1.2，经计算选择16 000 kN压铸机。

依据铸件壁厚和结构特点，内浇口填充速度选择50 m/s，填充时间选择0.03 s，经计算内浇口的截面积为658 mm2。压室直径选择ϕ105 mm，经计算压射冲头快压射速度为3.8 m/s。

卧式冷室压铸机常用的浇注系统形式见图3。横向浇注系统浇注过程平稳可控，适用于多数零件。纵向浇注系统适用于零件结构复杂或特殊零件，尤其是图3c和图3d两种结构，因其浇道的结构形式导致内浇口高度不一致，初始的铸造工艺的调整过程复杂，因此在方案确定前需进行数值模拟以确定其工艺的可行性。

正时链盖因其结构的特殊性和复杂性，在设计阶段初选图3a和图3c两种浇注系统方案，见图4。横向浇道从正时链盖一侧进入，另外3侧开集渣包和排气道；纵向浇道布置是将零件不规则的“羊角”形向上，浇道从铸件双侧进行填充，填充末端上下两侧设置集渣包。利用AnyCasting软件对其填充、排气、凝固、温度等过程进行分析，确定最优的工艺方案。

图3 卧式压铸件常用浇注系统结构
1.铸件        2.浇道

图4 含浇注系统正时链盖结构图
1.浇道   2.铸件   3.集渣包

使用AnyCasting软件进行模流分析前，需将原3D文件中的建模实体输出STL格式导入模拟软件中，然后进行可变网格的划分。划分网格时， 确保X、Y、Z 3个方向上零件每一个截面至少有3层网格，包括内浇口和溢流槽，划分有足够的网格才能保证模拟计算的准确性。正时链盖自动划分网格最小尺寸设定为1，最大尺寸比率设定为2；自动过渡光滑因子为1.1，最大尺寸比率设置为3。横向浇道共划分网格567万个，纵向浇道划分网格482万个。

正时链盖材质选择ADC12合金，液相线温度为595 ℃，固相线温度为540 ℃，设置浇注温度为645 ℃，凝固收缩体积变化为7.14%；与铝合金接触的压铸型按设计要求选用进口热作模具钢W350。铸件带浇注系统总质量为4.77 kg，料缸直径为ϕ10 5mm，长度为780 mm，压射冲头一级压射速度为0.15 m/s，二级快压射速度为3.8 m/s。

正时链盖按图4a横向单侧浇注系统进行模拟分析，结果见图5。可以看出：①填充过程较平稳，在填充时间为0.454 2 s开始进行高速切换，0.497 2 s时充型结束，铸件充型时间为0.043 0 s。由于中间区域B壁厚薄，并且有许多空洞阻碍铝液填充，同时增压压力难以通过B区传递到壁厚较大的C区，会造成远离浇道的区域C产生冷隔、填充不良等铸造缺陷。②对填充过程卷气分析，铸件型腔内无明显的紊流和卷气，填充末端卷气部位合理布置溢流和排气槽，能够辅助末端气体的排出。③充型过程中内浇口的速度不稳定，见图5c，中间部位内浇口某定时瞬间速度大于80 m/s，会出现喷射流造成C区的填充不良，同时对模具冲刷严重，影响铸件品质和模具寿命。④凝固过程中由于铸件壁厚不均，中间壁厚薄（壁厚为2 mm），B区最先凝固，C区壁厚较厚（局部壁厚为21.9 mm）且远离浇道，最后凝固，形成部分孤立液相区，会造成C区产生缩孔。

图5 横向单侧填充数值模拟

根据对正时链盖横向浇注系统数值模拟的分析，该浇注系统在填充和凝固过程中会产生铸造缺陷的风险很大，而且会降低模具使用寿命，此浇注系统不适合正时链盖的压铸。

正时链盖按图4纵向双侧填充浇注系统进行模拟分析，结果见图6。可以看出，①填充过程实现铸件循序填充，在填充0.447 9 s开始进行高速切换，0.477 6 s充型结束，铸件充型时间为0.029 7 s，能够实现薄壁铸件的快速填充；同时采用双向填充，内浇口从两侧面厚壁处进入型腔，有利于压射压力的传递。②对填充过程卷气分析，下侧的分支浇道对应铸件内部空腔，金属液进入型腔后冲击型腔壁，造成局部的紊流和卷气，见图6d；填充末端上侧卷气部位合理布置溢流和排气槽，能够辅助末端气体的排出；下侧卷气部位无法设置排气道。③充型过程中内浇口的速度较稳定，瞬间速度小于60 m/s，适合于铝合金薄壁件的填充。④凝固过程中间薄壁区先凝固，两侧厚壁区后凝固，在凝固过程中两侧厚壁处通过内浇口增压补缩，不存在孤立的液相区域，没有产生缩孔的风险。

图6 纵向双侧填充数值模拟

根据对正时链盖纵向浇注系统数值模拟的分析，该浇注系统适合此铸件，但卷气过程分析存在问题，填充过程型腔中间有涡流卷气，同时下侧卷气部位也无法开设排气道，铸件内部会产生气孔缺陷，严重时会影响铸件的密封性。进一步对纵向双侧浇注系统进行优化，见图7。将下侧金属液汇流处的集渣包变更为分支浇道，加快该区域的充型速度，使整个充型过程更加平稳、顺畅。根据金属液的流向和卷气位置，在中心通孔处增加两处集渣包，改善卷气状态。优化后的浇注系统呈“U”形状态填充，数值模拟见图7，可见充型过程平稳、顺序填充，排气顺畅；增加的两处溢流槽在填充过程中起到了辅助排气的作用。凝固分析不存在孤立的液相区域，没有产生缩孔风险。通过温度场分析，铸件温度场均衡，能够大大降低铸件温度降低过程中产生缩孔和变形的风险。根据以上模拟分析的结果，纵向U形浇注系统方案适合该正时链盖零件的压铸。

图7 纵向U形填充数值模拟

图8 正时链盖零件

根据对正时链盖纵向浇注系统数值模拟分析的结果，采用纵向U形浇注系统进行了新产品的模具开发和试制，使用16 000 kN压铸机，采用数值模拟优化的压铸参数：铸造压力为100 MPa， 慢压射速度为0.15 m/s，快压射速度为3.8 m/s，铸件外观无明显的流痕、冷隔等铸造缺陷。清理后的正时链盖零件如图8所示，对其进行X光探伤和密封测试，产品质量优良，OTS样件一次通过。现已进入大批量生产，产品合格率在96%以上，质量高于同类产品。

《基于数值模拟的正时链盖压铸工艺研究》
侯丽彬 姚金池 李晶
大连科技学院机械工程学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》杂志社