基于MAGMA数值模拟的发动机缸盖铸造工艺优化设计

王晓明，王超

（1.山东科技职业学院，潍坊 261053；2.潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，潍坊，261199）

摘  要： WP10系列气缸盖为典型的薄壁复杂铸件，KW造型线潮模砂工艺大批量生产中，工艺控制难度大，工艺稳定性差，气孔缺陷为主要的缺陷之一。利用MAGMA数值模拟对多种工艺优化方案进行模拟分析，依据计算分析结果，对现有的模样布置和浇注系统进行重新优化设计，并通过现场工艺验证实施，新工艺取得了较好的效果。

关键词：MAGMA；气缸盖；浇注系统；气孔

中图分类号：TG244　

Optimization Design of Engine Cylinder Head Casting Process Based on MAGMA Numerical Simulation

Wang Xiaoming,Wang chao

（1.Shandong Vocational College of Science&Technology，Weifang，261053；2.Weichai Power (Weifang) Casting & Forging Co., Ltd.Weifang,261199）

Abstract: WP10 series cylinder head is a typical thin-walled complex castings, In the mass production of KW wet molding line,the process is unstable and difficult to control,the porosity defect is one of the main defects.this paper uses MAGMA to simulate and analyze various process schemes，and re-optimizes the pattern layout and pouring system based on the results of calculation and analysis.The new process has been verified and implemented by the on-site process. The new process has achieved good results.

Key words: MAGMA; cylinder head; gating system; porosity defects

气缸盖是发动机核心部件之一，其内部结构复杂，工作环境恶劣，其质量性能对发动机的可靠性和整体性能影响极大。因此，对缸盖铸件的质量和性能要求非常高，如何稳定大批量生产缸盖铸件是业界公认的难题^[1-2]。

我厂WP10系列气缸盖为典型的薄壁复杂铸件，尺寸较小，结构紧凑，最小壁厚为4.5mm，生产采用KW静压全自动造型线潮模砂工艺。由于薄壁及复杂的内腔结构及大批量生产工艺控制难度大等问题，铸件生产中气孔缺陷为主要的缺陷之一，比例约为2.5%。在生产实践中，通过对气孔缺陷进行统计分析，发现气孔缺陷主要集中在对应型板模样号的1、6位置（图1），比例约占气孔废品率的85%以上，前期通过优化砂芯排气、优化冒口尺寸结构等措施，气孔废品率有了一定的降低，但是总体效果不明显。为进一步降低气缸盖气孔缺陷废品率，笔者利用MAGMA数值模拟软件对气缸盖铸造工艺进行模拟分析。依据分析结果，对模样布置和关键工艺浇注系统进行重新优化设计。

1 缸盖铸件生产工艺情况

1.1现工艺分析

我厂生产的WP10系列气缸盖铸件外形尺寸为330mm*185mm*125mm，质量20kg，采用德国KW3500全自动静压造型线潮模砂工艺，砂箱尺寸为1000mm×800mm×260/260mm，一箱6件；浇注系统采用两层内浇口结构的低注+中注工艺，过滤片采用陶瓷直孔过滤片立放工艺，浇注时间约26s，浇注重量约160kg。图1为我厂现有WP10气缸盖型板模样布置及浇注系统结构，表1为浇注系统各位置截面积尺寸。

图1 模样布置及浇注系统结构

Fig. 1 Structure of the pattern layout and pouring system

表1  WP10缸盖浇注系统各位置截面积尺寸（单位：mm²）

Tab.1 cross-sectional area dimensions of each location of the WP10 cylinder head pouring system(Unit: mm²)

注：设计计算时截面积比值以内浇道作为基准^[3]。

通过计算，现有浇注系统为半封闭半开放式结构，对现有工艺浇注系统各位置截面积分析可得：

（1）浇注系统S_直浇道：S_{横浇道（截流处）}：S_内浇道各截面积比值为0.86:0.42: 1，其中，直浇道座与过滤片座搭接处为浇注系统的截流面积S₅，铁水流经S₅位置时瞬时流速变大，同时，铁水在搭接位置产生拐弯，铁水在该处易发生喷溅和冲砂，紊流加大，一定程度影响过滤片的过滤阻渣效果。

（2）截流面积S₅为1050mm²，相比另一侧搭接处S₆截面积2520mm²、横浇道S₃截面积1967mm²和内浇道S₄截面积2520mm²相对较小，后半部分为开放式，且开放度较大，为S₅/S₄=2.4，导致后半段铁水流速慢，充型平缓，浇注时间较长，铁水温度降低较大。

1.2模拟分析

利用MAGMA软件对WP10气缸盖铸件浇注工艺充型情况进行模拟。模拟参数设置如下表2所示。根据分析需要，截取中间时间点12.25s铁水浇注充型情况及该时间点温度场分布情况如图2。

     由模拟结果可以看出：

（1）浇注过程很长一段时间里横浇道处于铁水未充满状态。由浇注系统各截面推算，由于横浇道S₃相比前段S₅差值较大，约917mm²，形成较大的开放度，导致过大的横浇道截面积未全部起到引流的作用。

（2）1、6号位置铸型相比其他位置，铁水充型温度有所降低，差值约20℃。根据充型压力变化规律，铸型充型顺序依次为1、6号→2、5号→3、4号。因此，浇注过程中第一股铁水首先进入1、6号铸型，由于铁水首次流经横浇道时，冷的潮模砂浇道对前方铁水产生一定的冷却作用，加上横浇道截面积较大，铁水流动平缓，冷却时间较长，因此，1、6号位置相比其他位置铁水温度降低最大，充型温度最低。

显然，其他工艺条件相同的情况下，1、6号铸型位置，铁水温降低最大、充型温度低，气孔缺陷发生的概率必然增大。

2新浇注工艺

2.1方案设计

综上分析，新工艺设计时需克服1、6号位置铁水充型温度降低大、充型温度低、与其他位置充型不同步的问题。拟采取以下措施：

一是采取提高浇注速度，降低浇注时间，减少充型温度降低。结合压头高度，并结合现场试验经验，将横浇道位置的截流面积（即整个浇道的阻流面积）由1050mm²增大至约1700mm²，直浇道、内浇道尺寸均不变，仍采用半封闭半开放式浇注结构，调整后各截面积比S_直浇道:S_横浇道:S_内浇道约为0.85:0.7:1。

二是调整型板模样的布置，采取如图7所示的布置方式，调整后原1、6号位置铸型的铁水在横浇道中的流动距离缩短约1/3，但更改后模样呈现4-2非对称布置，存在左右两侧压力不同的情况。为保证充型过程的各时间段不同位置充型同步，需对两侧横浇道截面积取适当的比例。

2.2模拟分析确定非对称两侧的截面积比值

为保证新工艺方案铁水浇注充型同步，对调整布局的浇注系统4-2两侧截面积设一定比例进行模拟分析，通过分析各位置铁水液面上升情况，得出合适的截面积比例。

首先左右两侧截面积按理论比例分别取1:1和2:1，按两种比例分别进行模拟分析，根据模拟情况，适当调整截面比例，再通过模拟分析验证调整后的比例是否合适。其中，以S_a值为基准，通过改变S_b值的大小来调整两者的比例，具体方案见图3。图4、图5分别为方案一和方案二的模拟结果，图6为根据方案一和方案二模拟分析计算得出的比例，通过模拟验证，采用方案三Sa:Sb取2.13：1时，左右两侧液面上升较同步。

方案一：Sa:Sb=1:1   方案二：Sa:Sb=2:1   方案三：Sa:Sb=2.13:1（模拟推出）

图3横浇道左右侧截面积配比

Option I: Sa: Sb = 1:1 Option II: Sa: Sb = 2:1 Option III: Sa: Sb = 2.13:1(simulated launch)

Fig. 3 Ratio of left and right cross-sectional area

图4 方案一 液面分布（Sa:Sb=1:1）      图5 方案二 液面分布（Sa:Sb=2:1）

Fig 4 Liquid surface distribution of Option I(Sa: Sb = 1:1)  Fig 5 Liquid surface distribution of Option I(Sa: Sb = 2:1)

图6 方案三 液面分布（Sa:Sb=2.13:1）

Fig 6 Liquid surface distribution of Option I(Sa: Sb = 2.13:1)

按照模拟结果，新浇注系统左右两侧的截面积比值按2.13:1进行设计，调整后的模样布置和浇注系统结构见图7所示，浇道各位置截面积值如表3所示。利用MAGMA对WP10缸盖铸件新工艺浇注充型情况进行模拟分析，图8、9为新工艺中间时间段6s、18s时铁水充型过程中温度场分布情况。

表3  WP10缸盖新工艺浇注系统各位置截面积尺寸

Tab.3   cross-sectional area dimensions of each location of the WP10 cylinder head new pouring system(Unit: mm²)

图7新工艺模样布局与浇注系统结构

Fig. 7 Structure of the pattern layout and pouring system of the new process

图8 充型温度场分布（6s）        图9 充型温度场分布（18s）

Fig.8 Temperature field distribution of filling process(6s) Fig.9 Temperature field distribution of filling process(18 s)

模拟结果显示，新工艺1、6号铸型铁水充型6s时对应位置浇注温度约为1395℃，18s时浇注温度约为1410℃，较原工艺浇注温度升高约10℃，同时1、6号位置较其他位置温度降低有所改善。

2.3工艺验证

依据模拟结果，按照方案三的设计参数完成了工装的制作，如图10所示，并进行了现场工艺验证。验证时浇注重量约为158kg，浇注时间为23s左右，通过统计，气孔废品率为0.78%，各对应模样号的气孔比例相对均衡，其中1、6号位置比例由原先的占比85%以上降至30%左右，新工艺取得了较好的效果。

图10 新工艺工装

Fig. 10 New process mould

3结论

利用MAGMA数值模拟对缸盖铸件铸造工艺进行优化设计，并通过现场工艺验证实施，新工艺取得了较好的效果。

（1）提高了设计准确率，缩短了工艺开发周期。数值模拟技术应用于铸件的工艺优化和开发过程，可直观地观察铸件充型及凝固过程，预测充型效果、温度场变化情况，提高了设计的准确率；同时，大大缩短了工艺开发周期。

（2）新工艺已通过现场试验验证。原1、6号位置缸盖的气孔缺陷占比由原先的85%左右下降至30%左右，气孔废品率也由原先的2.5%左右下降至1%以内，新工艺取得了良好的效果。

参考文献：

[1] 钱寅通，时光，刘勤鹏等. 265型气缸盖铸造工艺[J].铸造,2015（1）：69-72.

[2] 李铜海. L32型柴油机气缸盖铸造技术[C].全国大功率柴油机学术年会论文集，2009：373-374.

[3] 李新亚. 《铸造手册》第5卷 铸造工艺[M].北京：机械工业出版社,2011.9