40
国外内燃机
2013年第4期
制造工艺对铝气缸盖高周疲劳耐久性的影响
【美】 Chen XF Engler-Pinto C King M Li M PrabhuE SuX
摘要：由于铸造工艺的缘故，导致气缸盖的材料高周疲劳特性分布不均匀。为了模拟制造工艺对
铸件机械性能的影响，Ford汽车公司开发了虚拟铝铸造工具。虚拟铝铸造的特点之一是能预测高周疲劳强度分布。由于残余应力对气缸盖的高周疫劳也起着重要作用，因此对残余应力电进行了模拟，并将其用于气缸盖的高周疲劳分析。采用ABAQUSTM软件对气缸益总成、热应力和工作应力进行模拟。将工作应力与残余应力结合在一起，进行高周疲劳计算。采用FEMFATTM疲劳测试有限元分析软件进行高周疲劳分析。基于虚拟铝铸造模拟获得的局部材料特性建立了用户定义的赫氏图。结果证明，利用在FEMFATTM软件中得到的局部特性分布，可显著提高气缸盖高周疲劳模拟结果的精确度。
关键词：高周疲劳耐久性
铝气缸盖制造工艺
虚拟铸造
0前言
制造工艺（即铸造和热处理)对包括高周疲劳强度在内的铝气缸盖最终性能起着重要作用。在气缸盖铸造过程中，由于零件各部分的冷却速度不同，微观结构和材料特性的分布不均匀。此外，在热处理过程中(尤其是在火期间)，会产生残余应力，它会对高周疲劳耐久性产生直接影响。提出的方法已考虑到制造工艺对高周疲劳计算的影响，因此预测精度显著提高。
利用制造“虚拟铸造”模具的几何形状和实际铸造工艺参数，对铸造过程进行模拟。然后，利用1套专门开发的基于预测微观结构和多孔分布的材料模型，并根据铸造模拟的输出结果，估算出整个气缸盖的局部疲劳强度分布。
为了估计痒火温度的演变过程，对火过程的
舜态热传递进行了分析。在率火过程中，温度的不均匀变化会使气缸盖的某些部位产生塑性变形。当在淬火后气缸盖的温度达到均匀室温时，这些塑性变形会在整个零件上产生残余应力分布。利用计算机辅助工程模拟率火过程中热变化的结构，可以估算残余应力的分布。利用机械加工操作的模拟技术，可以计算出残余应力的重新分布。ABAQUSTM 软件可用于气缸盖高周疲劳结构分析。根据发动机的工作应力及残余应力，进行高周疲劳计算。
通过铸造模拟，对整个“虚拟铸造”气缸盖的局部材料特性进行评估。建立了整个“虚拟加工”气缸盖的用户定义局部赫氏图。采用FEMFATTM进行
万方数据
高周疲劳安全系数计算。因为在分析过程中考虑到了制造工艺的重要影响，因而能更精确地计算高周疲劳安全系数。
1制造工艺对局部材料特性影响的模拟
铝气缸盖在当今发动机设计中已被广泛使用，但在制造过程中会产生非均匀的材料特性和残余应力。为了预测制造工艺对材料特性的影响，Ford汽车公司开发了虚拟铝铸造（VAC)工具。开发VAC 工具的挑战之一是要建立一种能反映制造工艺对微观结构及机械性能产生影响的预测方法"。
之前，ProCASTTM和MagmaSoftTM等商用软件
包已被用于铸造过程的模拟，但其主要用途是确定不同几何形状的可铸性。目前，这些程序既不能用于预测铸造和热处理过程中局部微观结构的变化，也不能用于预测由这种局部微观结构分布所产生的局部机械性能。对于铸铝来说，微观结构的主要特征是微孔性、共晶相和析出相。预测多组分合金凝固过程中的微观结构和微观偏析，是了解和模拟铸件机械性能和后续使用性能的关键。在319型铝合金（AI-Si-Cu)中，特别要关注共晶或Al,Cu相，因为它会影响到在随后时效过程中析出强化相3'（或 Al,Cu)的变化。在固溶处理期间，这些共晶相溶解缓慢，因此考虑这一影响也是非常重要的3)。微孔性是另一种常见的微观结构特征，对疲劳特性等具有深远的影响。VAC综合了微孔成核、孔生长和非线性物理机理。它能模拟宏观现象（如在熔融过程