標(biāo)題：數(shù)值模擬的自動(dòng)優(yōu)化在凸輪軸支架品質(zhì)改善中的應(yīng)用

摘要：本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸支架在試制階段出現(xiàn)了氣孔及漏氣等缺陷，借助數(shù)值模擬軟件的自動(dòng)優(yōu)化功能，以減少產(chǎn)品熱節(jié)為目標(biāo)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬分析，找出最佳的工藝組合方案。采用優(yōu)化的工藝方案進(jìn)行試制，解決了產(chǎn)品的缺陷，提高了鑄件的品質(zhì)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。實(shí)踐結(jié)果表明借助數(shù)值模擬的自動(dòng)優(yōu)化功能可以快速準(zhǔn)確的提供解決方案，在解決實(shí)際問(wèn)題中起到積極的作用。

隨著汽車行業(yè)節(jié)能降耗、低排放的要求，汽車零部件呈現(xiàn)了質(zhì)量輕量化、性能集成化的發(fā)展趨勢(shì)，使得鑄件的結(jié)構(gòu)愈來(lái)愈復(fù)雜,質(zhì)量要求愈來(lái)愈高，給壓鑄生產(chǎn)帶來(lái)了更多新的挑戰(zhàn)。影響壓鑄件質(zhì)量的因素眾多，不同的方案，不同的參數(shù)得到不同質(zhì)量的鑄件。目前行業(yè)內(nèi)在產(chǎn)品質(zhì)量改善中往往采用“試錯(cuò)法”，即通過(guò)不斷的修模、試制、驗(yàn)證的過(guò)程找尋其間的規(guī)律，直至產(chǎn)品質(zhì)量合格。這種操作方法會(huì)導(dǎo)致在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)多次試制，耗費(fèi)了較多的人力、物力和時(shí)間。

本文以某一款凸輪軸支架的品質(zhì)改善為例，在優(yōu)化澆注系統(tǒng)后，通過(guò)軟件的自動(dòng)優(yōu)化功能，以高速速度為變量，以較小的熱節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)，通過(guò)迭代運(yùn)算，輸出最佳的工藝組合方案。并以此方案為指引進(jìn)行試制，試制結(jié)果表明選用自動(dòng)優(yōu)化后的參數(shù)驗(yàn)證，產(chǎn)品質(zhì)量合格，縮短了調(diào)試時(shí)間。

1、產(chǎn)品簡(jiǎn)介及質(zhì)量信息

該產(chǎn)品為某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸支架，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1所示。鑄件要求使用的鋁合金材料為JIS H5302 ADC12，其基本尺寸為480mm×235mm×87mm，鑄件的平均壁厚為3.5mm。因產(chǎn)品的功能要求，對(duì)產(chǎn)品需要做氣密性檢測(cè)。油道部分要求在0.3Mpa的氣壓下無(wú)泄漏，腔體部分要求在0.1Mpa的氣壓下無(wú)泄漏。

圖1 凸輪軸支架結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品經(jīng)過(guò)首次試制，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在螺紋預(yù)鑄孔側(cè)壁有較大的縮孔，內(nèi)部質(zhì)量不合格。對(duì)缺陷處進(jìn)行剖切，如圖2所示，紅色線框標(biāo)示處有縮孔。根據(jù)首次試制的參數(shù)以及模型進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示缺陷位置因產(chǎn)品壁厚過(guò)厚，相對(duì)凝固時(shí)間較長(zhǎng)，形成大的熱節(jié)，最后導(dǎo)致縮孔。實(shí)際缺陷與模擬結(jié)果的對(duì)比如圖2所示。基于上述原因，需從調(diào)整鑄件的澆注方案、凝固順序等方面著手改善。

圖2 產(chǎn)品缺陷圖片及模擬熱節(jié)點(diǎn)

2、方案自動(dòng)優(yōu)化模擬分析

針對(duì)以上的分析，準(zhǔn)備從2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。首先在保證零件成型的前提下，對(duì)澆注方案進(jìn)行優(yōu)化。由于縮孔的形成原因是產(chǎn)品壁厚較厚，增加后難以補(bǔ)縮，所以在澆注系統(tǒng)優(yōu)化上先縮小熱節(jié)處的澆口面積，減少流經(jīng)熱節(jié)點(diǎn)處的鋁料，降低模具升溫的幅度。修改后的方案對(duì)比圖見(jiàn)圖3所示。其次，澆注系統(tǒng)更改后，與之相匹配的工藝參數(shù)也要隨之變化。在本案例中，以高速速度為變量，以較小的熱節(jié)值為目標(biāo)，結(jié)合軟件的優(yōu)化功能讓軟件自動(dòng)運(yùn)算，輸出判定結(jié)果。圖4為設(shè)計(jì)高速速度為變量的設(shè)定圖示。

圖3 澆注方案優(yōu)化對(duì)比圖

圖4 壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

圖5為自主優(yōu)化的模擬結(jié)果。圖5a中每一條彩色線段為一組工藝參數(shù)方案，共5個(gè)豎軸，從左至右分為高速變化區(qū)間，壓射方案變化區(qū)間，成型溫度結(jié)果范圍，內(nèi)澆口速度范圍和熱節(jié)時(shí)間范圍。通過(guò)拖動(dòng)每個(gè)豎軸上下兩端的箭頭來(lái)獲得最佳的工藝方案，例如想要最低熱節(jié)時(shí)間，往下拖動(dòng)豎軸上端箭頭，最后得到最小的熱節(jié)時(shí)間為方案1，同時(shí)方案1的成型溫度也較高，內(nèi)澆口速度相對(duì)較低。圖5b左豎軸為熱節(jié)時(shí)間范圍，右豎軸為成型溫度結(jié)果范圍，下橫軸為全部工藝方案，通過(guò)觀察溫度和熱節(jié)時(shí)間的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)方案1的成型溫度相對(duì)較高，熱節(jié)時(shí)間最短。圖5c最上一排為熱節(jié)時(shí)間根據(jù)不同方案和高速速度的變化規(guī)律，第二排為內(nèi)澆口速度根據(jù)不同方案和高速速度的變化規(guī)律，第三排為成型溫度根據(jù)不同方案和高速速度的變化規(guī)律，右一豎排為高速速度的變化范圍，右二豎排為幾何方案的變化范圍，以熱節(jié)時(shí)間結(jié)果為例，該結(jié)果時(shí)間變長(zhǎng)隨著從方案一切換到方案二，同時(shí)其總體趨勢(shì)隨著高速速度的提升而變長(zhǎng)，所以通過(guò)觀察其變化規(guī)律，從而抓出最準(zhǔn)確的方案與工藝參數(shù)。綜合以上所述，在保證成型溫度的基礎(chǔ)上，采用相對(duì)較低的壓射速度并配合壓射方案一，可以獲得最小的熱節(jié)時(shí)間，通過(guò)減小熱節(jié)時(shí)間，從而降低實(shí)際生產(chǎn)中所出現(xiàn)的凝固收縮類缺陷。

a．平行曲線組合圖片

b.熱節(jié)與溫度變化趨勢(shì)圖片

c.總變量與總目標(biāo)變化趨勢(shì)圖片

圖5 模擬結(jié)果

3、實(shí)際驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化后的澆注方案以及工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)壓鑄出產(chǎn)品做內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示產(chǎn)品壁厚位置縮孔得到改善，如圖6所示。實(shí)踐結(jié)果表明通過(guò)采用改善后的壓射方案并配合最佳工藝參數(shù)，解決了實(shí)際中產(chǎn)品出現(xiàn)的缺陷。

圖6 改善前后產(chǎn)品級(jí)內(nèi)部質(zhì)量對(duì)比圖

4、結(jié)論

（1）針對(duì)產(chǎn)品縮孔問(wèn)題，從實(shí)際產(chǎn)品和模擬結(jié)果來(lái)看，屬于產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)偏厚，凝固收縮不均勻，巨大的凝固溫度差導(dǎo)致縮孔。

（2）通過(guò)使用數(shù)值模擬分析軟件，一次性導(dǎo)入大量的工藝參數(shù)與壓鑄方案，然后匹配出最佳的壓射方案與工藝參數(shù)的組合，在最短的時(shí)間內(nèi)，最大地提升效率，改善了缺陷。

本文來(lái)自：MAGMA邁格碼鑄造模擬仿真軟件