1、 压铸V6发动机缸体的模具设计和工艺优化 *Henry HU1, Yeouli CHU2, Patrick CHENG2 （1.温莎大学机械，汽车及材料工程学系。2.研究与发展利优比压铸（美国）公司）摘要：铝的使用，尤其是发动机缸体，已大幅增长，在过去的十多年中，在汽车行业不断持续上升。为了提高压铸发动机缸体的质量和工程性能，不得不对模具设计和工艺进行优化。在这项研究中，采用计算机模拟软件MAGMAsoft为作为优化模具设计和铸造工艺先进的工具，几乎可视腔填充和图案的V6发动机缸体。要使原来的模具设计和工艺进行数值模拟，首先要建立一个基线。一个被用来验证预测的结果的现实检查。然后，用不同的热流
2、道系统模具修改。由使用的CAD软件，Unigraphics软件（UG）修改后的模具设计和修订过程的模拟组合进行检查流动V6发动机块填充模具的修改和变化过程的影响。模拟预测表明，增强腔充填，由于模具和工艺改造，可最大限度地减少铸造缺陷的发生，从而提高了质量。力学性能测试结果表明：在疲劳的优势显著增加时，适度提高拉伸性能，新的模具设计与工艺比原有的生产工艺较适度改善。关键词：模具设计; 模拟 ;发动机缸体中图分类号：TG292-39 文件：A 文章编号：1672-6421（2005）01-0021-071介绍 由于燃油经济性和排放压力，使用铝在汽车行业继续上升。 全球铝的在汽车上的使用从45公斤（
3、101磅），在20世纪70年代已经超过100公斤（225磅）今天，2010年将达到150公斤（337磅）。在过去的10年，铝铸件的出货量增长了近65。铝铸件，每车的重量也预计将在20111年增长到123公斤（270磅）。背后更广泛的使用铝铸件的主要动力一直是汽车业的燃油经济性的要求，有必要向轻型汽车和卡车的发展趋势。这是因为高达百分之八节省燃油或额外为每加仑2.5公里多，可以实现为每重量减少10，而代以较重的金属。因此，车辆使用更少的燃料，以降低其重量与铝产生更少的温室气体排放量。 据预测，轿车和轻型车发动机缸体应用使用铝预计在未来10年突飞猛进到48。作为1999年沃德十佳发动机之一2，通用
4、汽车公司的aluminumintensified在1998年推出3.5升V6发动机。本文讨论了V6发动机压铸铝块的原型设计和生产中涉及的开发工作。在V6块的发展，对各种模具设计和工艺参数的版本进行了调查。原浇注系统和工艺设计的L型亚军和慢速灌装组合如图1所示。亚军L型设计和灌装过程缓慢，在生产过程中的缺点，已发现各种缺陷，如暹罗裂纹，冷隔和孔隙率有关泄漏的结果。为了克服旧模具和工艺设计的缺点，大量的计算机模拟工作被用于分析腔充填序列和不同的门设计与温度分布的工艺参数。防止和最大限度地减少缺陷的发生，提高质量和工程功能的V6缸体是我们一直的目标。一个流动和热建模的CAD软件，MAGMAsoft
5、3-4，被用于仿真工作，而Unigraphics，用于模具设计的修改。 在本文中，铝合金V6发动机缸体填充的模拟结果验证了现实与部分填充的数值模拟，对不同区域的设计和工艺参数优点和缺点进行了讨论 通过机械测试标本采样从舱壁块区域，以确定其疲劳强度和拉伸性能的仿真验证。*胡鸿烈：副教授，研究主要集中在交通运输凝固现象和机制，相变和溶解动力学。电子邮件：huhuwindsor.ca收稿日期 2004-09-01; 接受日期 2004-12-04中国铸造2005年2月2力学性能测试和仿真程序2.1几何建模与仿真 腔填充和凝固过程的模拟要求铸件的几何输入和模具包括内部冷却系统。图2显示了UG Unig
6、raphics的解决方案公司的UG快速原型界面创建了坚实的CAD模型转换成STL文件的实体模型的几何信息。MAGMAsoft预处理模块读取STL文件作为几何输入到该软件。建立完整的几何浇注系统，几何模块之前模拟由enmeshment网状自动。复杂的V6缸体铸造所需的约10万的元素。一旦网状几何已经确立，铸件，铸造金属（铝380）的热物理性质，初始条件和边界条件的过程信息，必须确定以运行模拟。热物理性质合金块（铝380）是在MAGMAsoft数据库模块。模拟边界条件列于表1。 “模拟双处理器的NT工作站上进行，速度为500 MHz和1千兆位的SDRAM。图12.2力学性能测试 发动机缸体的力学性
7、能，压铸两种不同的浇注系统设计过程通过拉伸评估参数表1所示疲劳试验。如图3所示，拉伸强度和疲劳试验的标本切片，从图1（a）参照发动机缸体舱壁加工。所有力学性能测试的标本准备根据ASTM-8。拉伸试样圆柱形，总长度7.62厘米，2.54厘米的测量长度，和一个直径为0.635的厘米计。 疲劳标本也呈圆柱形，总长度8.89厘米，2.54厘米的测量长度，和一个规范直径为0.635的厘米计。所有符合ASTM E8和E466的拉伸和疲劳试验与计算机数据采集系统配备一个液压驱动的测试机上进行。测试单轴，在实验室空气在常温下进行的。拉伸性能，其中包括0.2屈服强度（YS）和极限拉伸强度（UTS），失败（EF）
8、，在平均二十测试的基础上获得。疲劳试验周期为高，使用频率为90赫兹，应力比，R-1。多个标本疲劳试验的过程和门系统的设计之一，进行了一些具体的应力水平，这样可以得到一系列有效的统计数据集。测试发动机缸体疲劳强度决定使用楼梯方法3结果与讨论3.1现实 预测结果的准确性始终是一个值得压铸工艺工程师和计算机仿真经验丰富用户的关注。计算机输出的精度主要依赖输入信息的准确性。为了验证输入数据的正确性和边界条件，进行了比较，预测最后的填充区域和填满铸造。图4说明了一个V6块铸造的计算结果，总填充量的70。一个不完全填充的V6发动机铸块故意投如图5所示。通过比较图4和图5可以看出，计算机仿真结果与实验结果吻
9、合良好。3.2 L-型转轮的设计和缓慢灌装过程 图6显示了在腔充填序列时，适用于填充过程缓慢。这些数字说明，金属与过热度为35C间充满舱壁节通过对L-亚军第一腔。然后，金属慢慢地流向甲板面舱壁填补1 855毫秒的时间长。因为进入腔，金属温度开始下降。一旦到达甲板表面，金属失去其过热几乎完全由红颜色描绘。流序列的后期阶段表明，要填充的最后部分是5 孔和6孔，和发动机前部的一部分。金属填补这些路段有几个摄氏度左右的温度合金的液相线温度（584）。如此低的金属温度，在最后的填充温度部分,结果形成了各种缺陷，如冷隔和孔隙度，填补缺陷。这是体现在生产过程中，实验考试的检查和目视观测。图7显示了连体的发生
10、孔4和6，这是由于寒冷关之间的裂缝。3.3J-亚军修改和快充过程 第一次修改，试图增加快速的出手速度和减少腔内的填充时间。 然而，但对减少发生如冷隔缺陷和缺乏填充并非如此显著。继第一次尝试，它被认为是几何浇注和运行系统的V6发动机块必须调整，以大大减少填充所需时间为5和6孔附近，其中大部分的缺陷形式。基于这样的考虑，决定把溢出1中所示的图8显示参考图。 1到门没有遭受大的成本从模具的罚款修改。一个新的几何模型的J-亚军图8所示的系统，并转入到MAGMAsoft。其实，在以下三个方面的模具的几何形状和工艺已被修改优化流进入最后一节充满的V6铸造： 从转换产生的额外盖茨溢出减少流动距离的辅助侧部分
11、。 在门厚度的减少，降低了总匣区和增加了门的速度。 在出手速度快的增长时，大大降低了总的填充时间。 图9表明，熔体过热为35C时，与以往的设计相比，修改后的浇注系统填充速度快。在这种情况下，总腔填充时间只有829毫秒。金属仍然在早期的时候，尽管流动腔舱壁部分第一，但，额外的大门使附近的2孔和6到甲板面填补充满。由于填充时间短和高闸速度，熔体能够保持其流动性，而不会失过多的热量。由橙色的颜色在图9所示，金属液相线温度附近的温度（584），甚至后到达甲板表面合金。基于由计算机模拟生成的预测结果，进行了实验评价，修改。生产模具和铸造的J-热流道系统产生相应的结果显示在图10。生产运行的结果与修改后的
12、模具表明，连体裂缝缺乏导致填充和冷隔的最小化。3.4机械性能 用不同的工艺参数和浇注系统设计的发动机缸体压铸的机械性能图编制在图11中。从结果可以看出，快速填充过程中的J-亚军门设计带来了约一个改进的抗拉强度和疲劳强度。屈服强度（YS）和极限拉伸强度（UTS）的发动机缸体模具铸造和快速填充过程亚军J门设计是138和225兆帕，标志着分别同比增长5和9以上的压铸填充过程的L - 亚军门设计更重要的。 检查图11，舱单快速填充过程中的J-亚军门的设计块疲劳强度也由62兆帕的27提高至79%。对材料的改进优势可直接归因于改进腔快速填充过程中产生的灌装条件，和亚军的J-门设计，最大限度地减少形成缺陷和
13、孔隙度。4 结论（1）本研究得出结论认为，计算机应用模拟模具设计，特别是在优化腔充填和减少压铸生产过程中的缺陷的形成很有帮助。因此，质量和工程性质，如发动机缸体的疲劳和拉伸强度，提高。（2）模拟使压铸工程师，可视化门的变化和进程的影响，从而修改流灌装和热模式。仿真分析成功地为这项研究中的成本效益模具和工艺变化的工程指引。致谢 作者想对自然科学和工程研究理事会,加拿大，利优比压铸（美国）公司，通用汽车动力总公司，温莎大学表达他的感谢。参考文献1 K. H. Kirgin和M. Lessiter。美国铸造需求和供应2002年工程铸件解。冬季发行，2002年，25-282通用汽车公司的3.5L双凸轮V6发动机。沃德汽车世界，2000，1:443 D. M.的利平斯基，W谢弗和S.安徒生。建模 热电联产和流体灌装测定序列的实时形状复杂的铸件。建模铸造，焊接和先进的凝固过程，主编。M. Rappaz，议员和KW Ozgu马欣：TMS，1991，771 - 7774 D. M.利平斯基，W谢弗和E弗兰德。数值模拟充填序列和铸件的凝固。造型铸造，焊接和先进的凝固过程。T.Piwonka， V. Voller，L. Katgerman，TMS，1993年，389-397。5 J. A. Collins。在机械设计中的材料失效。约翰威利父子。纽约：1981
