發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的一種重要零件，缸蓋的密封性是其重要性能指標(biāo)，出現(xiàn)泄漏會(huì)造成整改發(fā)動(dòng)機(jī)故障，而缸蓋鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的縮孔缺陷則是引起泄漏的主要原因之一?？s孔是鑄件在凝固過(guò)程中因補(bǔ)縮不良而在熱節(jié)或最后凝固的區(qū)域形成的宏觀孔洞，而缸蓋等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件，因壁厚分布不均，極易產(chǎn)生凝固熱節(jié)，造成縮孔等缺陷。

為了有效的解決泄漏問(wèn)題，首先需要明確缺陷種類，傳統(tǒng)的缺陷定性手段通常是金相檢測(cè)及能譜分析等手段，耗費(fèi)大量的成本和時(shí)間。本文利用AnyCasting計(jì)算機(jī)仿真軟件，能夠快速準(zhǔn)確的分析出產(chǎn)生缺陷部位的缺陷種類，形成機(jī)理，指導(dǎo)工藝人員解決鑄造質(zhì)量問(wèn)題，提升效率，降低成本。

公司某系列鋁合金缸蓋采用低壓鑄造工藝成型，該工藝具有充型平穩(wěn)、補(bǔ)縮效果好、鑄件致密度高、力學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)鋁合金缸蓋的理想工藝。該缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均，最薄壁厚處不到4mm，尺寸大約為417×273×152mm。產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。在某一生產(chǎn)階段出現(xiàn)了較高的泄漏率，泄漏部位主要為螺栓過(guò)孔處，通過(guò)解剖發(fā)現(xiàn)螺栓過(guò)孔處存在鑄造缺陷，其缺陷如圖2所示。

采用AnyCasting鑄造仿真軟件，分析缸蓋在鑄造過(guò)程中螺栓過(guò)孔產(chǎn)生缺陷的種類及原因，輸入3D模型需包含鑄件、內(nèi)澆口、中間升液箱、升液管、冷卻管路、模具等，如圖3所示。

圖4為軟件計(jì)算結(jié)果，從凝固順序看，因在凝固過(guò)程中補(bǔ)縮中斷，造成孤立液相區(qū)，將壓力隔斷，導(dǎo)致該部位后期不受壓力作用，易形成縮孔。該螺栓過(guò)孔機(jī)加后效果如圖5所示，補(bǔ)縮通道中斷的位置在水道隔板與螺栓過(guò)孔相交處，形成的縮孔剛好處于機(jī)加孔左側(cè)的薄壁部分，該處機(jī)加后壁厚僅3.5mm左右，形成的縮孔導(dǎo)致水道與螺栓過(guò)孔貫穿，造成泄漏。

方案制定

01）側(cè)模增加點(diǎn)冷管

02）優(yōu)化水道結(jié)構(gòu)：增加水道圓角

改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小鑄件壁厚差，使鑄件厚壁與薄壁部位平滑過(guò)渡，盡量避免形成孤立熱節(jié)。而水道隔板與螺栓孔過(guò)渡處圓角為R3，不符合平滑過(guò)渡的要求，所以容易形成熱節(jié)，現(xiàn)將圓角增加到R5、R6、R7以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后補(bǔ)縮是否有效。

方案仿真分析結(jié)果

1）冷卻工藝分析結(jié)果

首先是側(cè)模增加點(diǎn)冷管的方案分析結(jié)果，三種冷卻方案50s、60s、70s開(kāi)啟時(shí)間凝固順序分別如下：

從分析結(jié)果不難看出，螺栓過(guò)孔的孤立液相區(qū)沒(méi)有完全消失，仍然會(huì)形成縮松縮孔，但是在50s開(kāi)啟結(jié)果來(lái)看，形成的液相區(qū)已經(jīng)有所減少，說(shuō)明增加冷卻的方案有一定的效果，只是不能完全解決該問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)開(kāi)啟時(shí)間50s，持續(xù)100s冷卻方案進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比增加冷卻前后缺陷數(shù)，用Mintab軟件中的雙比率檢驗(yàn)法確定冷卻工藝是否為影響產(chǎn)品質(zhì)量的要因，如下圖：

雙比率檢驗(yàn)法為6sigma質(zhì)量工具中假設(shè)檢驗(yàn)的一種檢驗(yàn)方法，假設(shè)檢驗(yàn)是一種數(shù)學(xué)驗(yàn)證，它可以確定事情的結(jié)果是偶然發(fā)生還是真的發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，它只有兩種可能出現(xiàn)的結(jié)果，假設(shè)沒(méi)有變化的原假設(shè)和假設(shè)有變化的備擇假設(shè)。通常來(lái)說(shuō)，我們用95%的置信度證明結(jié)果是否發(fā)生了變化，如果p值小于0.05，就拒絕原假設(shè)，認(rèn)為有了實(shí)質(zhì)性的變化。

從圖9來(lái)看，小批量驗(yàn)證后用雙比率檢驗(yàn)，結(jié)果P值小于0.05，拒絕原假設(shè)，說(shuō)明兩種方案的水道泄漏缺陷率存在顯著性差異，證明冷卻工藝是影響水道泄漏的關(guān)鍵因子。

2）水道結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

以下分別為R5、R6、R7水道圓角方案分析結(jié)果。通過(guò)增加水道隔板與螺栓過(guò)孔的補(bǔ)縮通道，孤立液相可以看出明顯的減少，當(dāng)圓角增加到R7的時(shí)候該處補(bǔ)縮通道能完全補(bǔ)縮到缺陷位置，可以看到孤立液相消失，形成順序凝固。

對(duì)上述R7圓角方案進(jìn)行修模驗(yàn)證，機(jī)加102件，泄漏數(shù)0件。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙比率檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

小批量驗(yàn)證后用雙比率檢驗(yàn)，結(jié)果P值小于0.05，說(shuō)明兩種方案的水道泄漏缺陷率存在顯著性差異，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是影響水道泄漏的關(guān)鍵因子。

方案生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果

將兩種方案同時(shí)進(jìn)行了大批量驗(yàn)證，沒(méi)有再出現(xiàn)該處螺栓過(guò)孔缺陷泄漏問(wèn)題，說(shuō)明了這兩種方案都是有效的，充分證明仿真結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果達(dá)到了高度吻合。

1） 利用AnyCasting鑄造仿真軟件分析缺陷來(lái)源，準(zhǔn)確找出缺陷形成原因，為后續(xù)方案制定，方案驗(yàn)證提供了有力的支撐，確定了冷卻及結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩種方案實(shí)施方向，產(chǎn)品泄漏率從7%降低至0%。

2) 生產(chǎn)實(shí)踐證明，AnyCasting軟件仿真結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果達(dá)到了高度吻合，可以將鑄造仿真技術(shù)推廣應(yīng)用到其他鑄造質(zhì)量問(wèn)題解決中，不僅可以縮短問(wèn)題整改的周期，還能大大降低問(wèn)題整改成本。

3) 在質(zhì)量問(wèn)題解決過(guò)程中，充分應(yīng)用6sigma質(zhì)量管理工具，可以快速的鎖定問(wèn)題要因，做到質(zhì)量與效率極高，成本最低，過(guò)程的周期最短，利潤(rùn)最大。

文章來(lái)源：第十四屆中國(guó)國(guó)際壓鑄會(huì)議/第5屆有色合金及特種鑄造技術(shù)國(guó)際研討會(huì)