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发动机缸体浇注系统的优化设计与数值模拟 摘要 缸体、缸盖是发动机上最重要、最大的铸件，是整个发动机生产中的难点 和重点，其铸造工艺水平是决定发动机质量的基础条件。近年来随着计算机技 术的发展，计算机数值模拟技术已发展为铸造过程最具潜力的模拟预测工具， 并在某些方面已经进入工业化应用阶段，成为铸造行业发展不可缺少的环节。 发动机缸体、缸盖的铸造一直是铸造行业的一个难点，将发动机缸体铸造过程 通过数值模拟软件进行仿真模拟，使整个铸造过程清晰明了的表现出来，对实 际生产有借鉴和指导的作用。 本文首先利用“大孔进水理论对发动机缸体的浇注系统进行优化设计， 并在初始设计方案的基础上进行改进，得n - - 种改进设计方案。通过u g 建立三 种设计方案的三维模型，再利用p a t r a n 建立它们的有限元模型，然后在有限元 铸造过程分析软件p r o c a s t 中对三种方案的成形过程进行数值模拟，主要模拟 了发动机缸体充型过程的速度场与温度场、凝固过程的温度场，以及对可能产 生缩孔缩松等缺陷的区域进行预测。完成模拟后，本文对三种浇注系统设计方 案的充型、凝固过程及缩孔缩松等缺陷的预测进行了对比分析，从模拟结果中 得出方案三在充型时较为平稳，凝固时温度分布均匀，温度梯度较小，凝固速 度也比前二种方案的要快，可能产生缩孔缩松等缺陷的范围小。由此得出方案 三浇注系统的设计较为优越，可以提高铸件的质量，降低废品率，指导实际生 产，降低发动机缸体的生产成本。 关键词：发动机缸体，数值模拟，浇注系统，速度场，温度场 d e s i g na n do p t i m i z et h er u n n i n gs y s t e mo fc y l i n d e r b l o c ka n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t c y l i n d e rb l o c ka n dc y l i n d e rh e a da r et h em o s ti m p o r t a n ta n db i g g e s tc a s t i n g s o fe n g i n e ；t h e ya r et h em o s ti m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp a r tf o rp r o d u c i n gt h ee n g i n e t h eq u a l i t yo fc y l i n d e rb l o c ka n dc y l i n d e rh e a da r ed e c i d e db yt h el e v e lo ff o u n d r y t e c h n i c s c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb e c a m et h em o s tp o w e r f u lp o t e n t i a lt o o l t op r o m o t ec a s t i n gt e c h n o l o g y ；i tw a sa l s ou s e db ya c t u a li n d u s t r ya n db e c a m et h e e s s e n t i a li n g r e d i e n to fc a s t i n gp r o f e s s i o n c a s t i n gt h ec y l i n d e rb l o c ka n dc y l i n d e r h e a da r et h em o s td i f f i c u l tp o i n ti nc a s t i n gi n d u s t r y t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r e ，w ec a ns i m u l a t et h ep r o c e s so fm o l df i l l i n ga n dt h ep r o c e s so f s o l i d i f i c a t i o n ；t h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o u l dr e p r e s e n tt h ew h o l ep r o c e s so f c a s t i n g ；s ot h es t u d yc a ng u i d ea c t u a lp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yw eu s i n gt h el a r g eo r i f i c ed i s c h a r g et h e o r yt od e s i g na n d o p t i m i z et h er u n n i n gs y s t e mo fc y l i n d e rb l o c k ；o nt h eb a s i so fo r i g i n a ld e s i g no f t h er u n n i n gs y s t e m ，w ec a ng e ta n o t h e rt w oa m e l i o r a t i v ed e s i g n s b yu s i n gu gt o f o u n dt h e i rt h r e e d i m e n s i o n a lm o l d ，a f t e rt h a tw ec a nf o u n dt h ef i n i t em o l db yt h e s o f t w a r eo fp a t r a n t h e nu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o c a s tt o s i m u l a t et h ew h o l ec a s t i n gp r o c e s so ft h ec y l i n d e rb l o c ko n eb yo n e ；t h r o u g ht h e s i m u l a t i o n ，w ec a ng e tt h ev e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do fm o l df i l l i n g ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do fs o l i d i f i c a t i o na n df o r e c a s t i n gt h ep o s s i b i l i t yo fs h r i n k a g ea n d p o r o s i t y t h r o u g hc o n s i d e r i n gt h em o l df i l l i n g 、t h es o l i d i f i c a t i o n 、s h r i n k a g ea n d p o r o s i t yo ft h et h r e ec a s e sw h i c hw a sg e tf r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w ec a nf i n d t h el a s t d e s i g ni st h eb e s t t h et h i r di sv e r y p e a c e f u li nt h em o l df i l l i n g ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do fs o l i d i f i c a t i o ni su n i f o r m i t y ，c o o l i n gs p e e di sf a s t e rt h a nt h e o t h e r s ，a n dt h er a n g et h a tc o u l dp o s s i b l yp r o d u c es h r i n k a g ea n dp o r o s i t yi ss m a l l e r s ot h el a s td e s i g nc a np r o m o t et h eq u a l i t yo ft h ec a s t i n g ，g u i d ea c t u a lp r o d u c t i o n ， a sw e l la slo w e rt h ew a s t ea n dc o s t k e yw o r d s ：c y l i n d e rb l o c k ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r u n n i n gs y s t e m ；v e l o c i t yf i e l d ； t e m p e r a t u r ef i e l d 插图清单 图1 1 发动机缸体三维结构图9 图4 1 发动机缸体三维结构图2 8 图4 2 发动机缸体的几何尺寸2 9 图4 3 内浇口形状尺寸( 单位r a m ) 3 4 图4 4 横浇道形状尺寸( 单位m m ) 3 4 图4 5 浇注系统优化设计方案一3 5 图4 6 浇注系统优化设计方案二3 6 图4 7 浇注系统优化设计方案三3 7 图4 8 水平静压造型线3 8 图5 1 三种方案铸件的网格模型4 3 图5 2 铸件在p r e c a s t 中的信息4 4 图5 3 虚拟模具的参数与深度4 5 图5 4 铸件的物性参数4 6 图5 5 铸型的物性参数4 6 图5 6 边界条件的参数设置4 6 图5 7 热参数的设置4 7 图5 8 充型参数的设置4 7 图5 9 运算框4 8 图5 1 0 模拟进程信息4 8 图6 1 方案缸体充型速度场5 0 图6 2 方案二缸体充型速度场5 1 图6 3 方案三缸体充型速度场5 2 图6 4 第一阶梯中间内浇口速度随时间得变化5 3 图6 5 第二阶梯中间内浇口浇注速度随时间变化5 4 图6 6 三种方案在凝固初始时的温度场5 6 图6 7 三种方案分别在5 0 s 、1 0 0 s 时的固相分数5 7 图6 8 三种方案得凝固时间的分布5 8 图6 9 三种方案关键位置在凝固过程中的温度变化5 9 图6 1 0 三种方案可能产生缺陷的分布范围预测6 l 图6 1 1 三种方案缺陷的预测6 2 图6 1 2 各节点温度随时间变化6 3 图6 1 3 各节点速度随时间变化6 3 图6 1 4 各节点压力随时间变化6 3 图6 1 5 所取各节点位置6 3 表格清单 表2 1k 一双方程紊流模型中的常数值1 9 表4 1 铸铁件的值3 0 表4 2 灰铸铁件浇注系统各组元的截面积比和应用范围3 1 表4 3 经验常数3 3 表4 4 方案一浇注系统尺寸3 5 表4 5 方案二浇注系统尺寸3 6 表4 6 方案三浇注系统尺寸3 7 表4 5h t 2 5 0 主要成分含量3 8 表5 1 网格检查结果4 4 表6 1 三种方案所取关键点所在单元的i d 6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金胆至些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 电话： 邮编： 致谢 本文的完成离不开我的导师李辉副教授的悉心指导和帮助，对李老师的辛 勤培养与无私关怀在此表示衷心的感谢，也同时感谢我的前任导师周杰教授在 初期给予我的指导和帮助。二位导师渊博的学识、求实的治学态度和非凡的敬 业精神，深深的教育和鞭策着我，使我在学习与生活中更加努力刻苦。在我三年 的研究生学习期间，得到了二导师无微不至的关怀，在课题的进行中，无论是 选题，查找参考文献，收集资料，论文撰写都得到了导师的极大帮助。在论文 即将完稿之时，对导师的辛勤培养与关怀致以崇高的敬意和衷心的感谢! 在此特别感谢同窗李志强、王东领、叶劲、蔡威、李成业等同学在论文写 作过程中提供的各种帮助和有益讨论，特别感谢你们在我处于困难之时给予我 得有力支持! 感谢师弟时建松、师妹纵荣荣等给予我的各种帮助。 特别感谢我的家人，尤其是我爸爸、妈妈没有他们的支持就没有我的现在， 我的一切成就都属于他们。在这三年的学习研究工作中，他们是我的坚强后盾， 给我以默默的支持与鼓励，在此谨以此文献给他们，以感谢他们在我的求学之 路中给我的无私支持。 感谢所有关心和帮助我的老师、朋友和家人! 作者：周建荣 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 随着我国汽车工业的快速发展，汽车工业在国民经济中的作用越来越重要， 而汽车业是铸造业最大的推动力之一，汽车工业的发展可望带动铸造工业发展 到一个新的高度。发动机的制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志之 一，进而也在很大程度上代表了一个国家汽车工业的发展水平。不断提高发动 机功率、降低燃油消耗量和减少尾气排放是汽车工业自身发展的内在需求，也 是外部环境的客观要求，并做为目标贯穿与发动机设计、生产的整个过程。而 发动机缸体、缸盖的铸件是发动机生产中难度最大的一环，是发动机生产中最 重要的环节，其质量对发动机的功率、油耗等性能起着决定性的作用。 1 1 发动机缸体、缸盖的铸造工艺技术概论 汽车发动机中缸体、缸盖是汽车中尺寸大、形状复杂、技术要求高的零件， 其质量综合反映了铸造厂的工艺技术水平、管理水平和人员素质。现在汽车设 计上力求降低单位功率质量，降低燃油消耗，提高使用的经济性，因此，缸体、 缸盖等铸件在保证强度、刚度的前提下、力求减少壁厚，降低重量。与此同时， 对这类铸件在尺寸精度、表面粗糙度、内腔清洁度、材料性能、内在质量、材 料均匀性与尺寸稳定性等方面提出一系列的要求。如要求材料：有足够强度、 刚度和致密性；要求材料轻量化，有尽量高的功率比；形状准确，尺寸精度高； 铸件内外表面光洁；有良好的加工性能等。总体来说，与国外制造先进国家相 比，我国生产的高强度铸件质量低，铸造生产工艺技术装备等基础条件差，能 源、材料消耗高，劳动条件恶劣，环境污染等。其原因为两大方面，一是基础 硬件上存在差距，如熔炼技术、原材料质量等；二是工艺水平的差距，如孕育 技术、合金化技术等。发动机缸体、缸盖铸件占发动机总重的6 0 一8 0 ，其中 缸体是发动机中重量最重、复杂程度最高、生产难度最大的一个关键铸件。 1 1 1 发动机缸体、缸盖铸件的特点 缸体、缸盖是发动机上最重要、最大的铸件，是整个发动机生产中的难点 和重点，其铸造工艺水平是决定发动机质量的基础条件。由于发动机在设计上 还要求降低单位功率重量，降低燃油消耗，噪音小，少排放，提高使用的经济 性。因此发动机缸体、缸盖铸件具有以下几个特点：1 重量轻强度高，随着发 动机功率的日益提高，缸体、缸盖的技术要求也随之不断增加，首先当前发动 机用材正由传统的铸铁材料向轻型铝镁合金转变，其次对缸体、缸盖铸件结构 要求的不断提高，以希望得到更轻的质量和更高的强度。2 结构复杂，在缸体、 缸盖上除有特殊形状的配气燃烧室外，有进气道、排气道，还有冷却水套、润 滑油道等，内腔形状复杂多变，同时由于发动机装配的需要，其外形结构也十 分复杂。3 形状准确尺寸精度高，发动机输出功率的大小与燃烧室及进排气道 的形状和大小关系重大，铸件超出设计状态1 m m ，动力性能将降低1 0 左右1 ， 由此可知缸体、缸盖的尺寸精度要求之高。 1 1 2 缸体、缸盖的材质、熔炼及孕育处理 汽车用材料的特点是重量轻、强度高，随着发动机功率的日益提高，对发 动机的技术要求也随之不断增加。对于发动机缸体、缸盖的材质，国外经过几 十年的生产实践，已规范化了，在化学成分、材质牌号、本体硬度和金相组织 等方面的变化不大。纵观国内外发动机铸造生产厂家的各种不同种类的发动机 缸体、缸盖材质的化学成分和技术要求，可以看出各种功率的发动机缸体、缸 盖材质仍以低合金灰铸铁为主( 添加元素为铬、铜、镍、锡等) ，铝合金也占有 一定的比率( 主要是在小汽车中应用较多) ，只有大马力发动机的缸盖采用了 蠕铁或球铁o 。在国外为了减轻发动机总重，降低油耗，发动机缸盖材质开始 逐渐使用铝镁合金等轻型材料，特别是轿车生产大多数厂家已采用低压铸造或 金属型铸造生产发动机的铝合金缸盖，部分厂家已开始将铝合金应用在缸体的 生产上。但灰铸铁作为传统材料依然由于成本低、工艺性好，有良好的尺寸稳 定性和抗热疲劳性能，当前仍有较大的市场，特别在大功率发动机上还占有半 壁江山。而目前在我国考虑到经济因素缸体、缸盖仍然以灰铸铁为主。 缸体、缸盖形状复杂，壁厚相差大( 最小壁厚3 m m ，最大壁厚可达4 0 m m ) ， 在工作中受到热冲击和热疲劳的作用，因而既要求具有良好的铸造性能，又要 求具有良好的力学性能。由此可见其对铸铁成分的要求极为严格，在成分控制 上，一般采用较高的碳当量( c e = 3 9 4 1 ) ，以保证有良好的铸造性能：化 学成分控制中加入一些合金元素如n i ，c r ，c u ，v ，m o 等( 特别是缸盖) ，以提 高铸件的本体强度、铸件本体金相组织中珠光体的含量和抗热疲劳能力。对于 石墨形态的控制，一般要求为a 型。只允许少量b 、d 型石墨，石墨最大长度应 在2 5 0 9 m 以下，碳化物不大于l ，磷共晶不大于2 p 1 。 在缸体、缸盖的生产中，国外十分重视浇注温度的控制，一般生产缸体、 缸盖均将浇注温度控制在1 3 9 0 , - - - - 1 4 3 0o c 左右的范围内。b c i r a 认为，对太多 数缸体、缸盖来说，最适宜的浇注温度为1 3 9 0 - - 1 4 2 0o cp 1 。若浇注温度太高， 则铁水收缩增加，促使铸件内部产生缩孔与缩松；浇注温度太低时，铸件会产 生气孔等缺陷。在熔炼过程中，为了保证生产时能稳定地获得符合要求的铁水 2 温度和化学成分，国外汽车铸造厂普遍采用双联熔炼，熔化铸铁多数用冲天炉， 冲天炉熔化的铁水比电炉铁水有较小的激冷倾向和收缩倾向，用冲天炉的铁水 生产缸体、缸盖，更容易得到合乎要求的金相组织，组织与性能均匀的健全铸 件，铁水保温炉普遍采用大型有芯槽式工频炉。 为保证在大批量流水生产缸体、缸盖时材质成分的均匀性和稳定性，也考 虑熔炼的经济性，国内许多工厂采用冲天炉一有芯工频电炉进行熔炼。一般在 冲天炉基础上配置了保温电炉，这样不仅可以大大节省成本，同时也为调整和 监测铁水成分提供了便利。近年来由于先进的熔炼装备和炉前质量检测手段( 热 分析仪及真空直读光谱仪) 的发展，使在生产缸体、缸盖铸件时，铁液成分和生 产的铸件强度得到了更严格的控制。 对于缸体、缸盖来说，孕育处理是十分重要的环节。孕育处理可以防止白 口，改善加工性能，细化共晶团，可获得a 型石墨，使石墨细化及分布均匀， 改善基体组织，提高机械性能，减小断面敏感性的重要工艺措旌。孕育也有副 作用，细化共晶团的结果常常导致缩松的增加，由于孕育剂中含有铝，孕育量 过高也会因铁水中含铝量增加而产生针孔缺陷。孕育提高铁水的成核程度，增 加共晶团的数目，导致凝固过程中作用在铸型上的膨胀力增大，其结果可能使 铸件产生缩孔和缩松，因此在缸体、缸盖生产中特别要注意控制孕育量，国外 孕育剂加入量一般仅为0 2 - - - 0 4 7 6 ，b c i r a 提出孕育总硅量比原铁液增加o 1 合适，最高不能高于0 2 。而国内对孕育剂的加入量比较混乱，没有一定的标 准。 尽管市场上提供了多种多样的孕育剂，但普遍采用的仍然是7 5 s i f ep 。 7 5 s i f e 由于瞬时孕育效果好，熔解性能好，且价格低廉，故国内外大量使用。 为了充分利用7 5 s i f e 瞬时孕育效果好的优点，国内外在缸体缸盖铸件的大批 量流水生产中普遍采用铁液流孕育、孕育丝孕育和型内孕育等瞬时孕育方法。 在某些场合也使用含有钡、稀土、锶、锆的硅铁和c s i 孕育剂。由于含锶孕 育剂由于可防止白口，避免因共晶团数目过多增加而引起缩孔缩松，在缸体缸 盖中得到较多的应用。 1 1 3 发动机缸体、缸盖铸造工艺的发展概况 铸铝，目前主要是用于轻型汽车、轿车及微型汽车发动机缸体、缸盖上。 在汽车工业发达国家中对铸铝在缸体、缸盖上的应用研究较多。但铸铝缸体的 应用，目前还远不及灰铸铁缸体多，在国内更是这样。汽车发动机铸铁缸体、 缸盖在砂型铸造中，属于典型的薄壁复杂件，其砂芯多，尺寸精度要求高，铸 件的水道、油道需经气密性试验不得有渗漏现象，以及铸件不得有夹渣、砂眼、 气孔裂纹类缺陷。缸体类复杂薄壁件的铸造难度高，铸件合格率低，国内一般 水平在5 0 6 0 峥1 ，因此，本文在此仍然讨论以铸铁汽车发动机缸体、缸盖 的砂型铸造工艺为对象。 1 1 3 1 浇注系统的设计7 _ 0 1 浇注系统的设计需要十分重视，缸体、缸盖是形状复杂的薄壁件且加工面 很多，根据此特点，注入型腔的金属液应快速、均匀、平稳，不能带有气体、 沙粒、渣子等杂物。首先是分型面的选择，对发动机缸体、缸盖的铸造过程中， 应用不同的铸造方法，其砂型、砂芯的分型面有不同的选择。在普通砂型铸造 中，为了保证缸筒间距离和壁厚的均匀，一般将形成缸筒和曲轴箱内腔的主芯 直接做成一个整体，其分盒面为一平面，其它砂芯和外型根据其特点各有自己 的分型面。 对于缸体、缸盖铸件的浇注方式目前主要采用卧浇工艺，根据其内浇道进 水位置的不同，大致可以分为以下几种形式：底注式，这种挠注系统形式是缸 体浇注系统的传统形式，易产生下高上低的温度梯度且不利于浇冒系统的补缩。 顶注式，顶注式浇注系统对克服一些常见的铸造缺陷有利，但其表现出的金属 液充型平稳性差较为严重，极少厂家采用。中注式，其进水位置选在主轴承的 上下型位置，这种浇注方式只有少数工厂应用。阶梯式，这种阶梯式浇注系统 具有良好的综合工艺性，目前应用较广。 水平卧浇阶梯式是很多生产厂家采用的工艺方法，这种方法适用于缸体水 平分型、机器造型、组芯合型浇注工艺，但它有以下缺点：1 容易使气体、渣、 浮砂等集中于上砂箱一侧，若排气不畅，溢流不充分，极易形成气孔、渣孔、 夹砂等缺陷。2 浇注过程中砂芯受到铁水浮力作用，常有抬芯断裂现象发生，特 别是水套芯。3 必须使用砂箱，用机器造型才能发挥其卧浇优势等。 缸体、缸盖的组芯立浇工艺是目前生产工艺的补充，也是未来生产缸体、 缸盖铸件的发展方向。立浇底注式可较好地克服水平卧浇阶梯式的缺点，它的 最大优点是可避免卧浇时的抬芯现象和缺陷集中于铸件一侧，使浮渣、气孔集 中于铸件顶部溢口和出气孔，并且溢口可进行朴缩、排气。如这些措施仍不能 将铸件缺陷消除在铸件顶部，则可加长铸件顶部尺寸，将有缺陷部分用机加工 切除，就能获得渣孔、夹砂、气孔少的铸件。 1 1 3 2 冒口的设计 1 3 1 缸体冒口设计的合理与否直接影响到铸件的合格率、表面质量及生产效率， 故而冒口系统的优化设计十分重要。冒口形式多种多样，但是归纳起来大致有 以下几种形式：飞边冒口、压边冒、明顶冒口、缩颈冒口等。要使冒口获得良 好的综合工艺性和效果，冒口系统的设计应注意以下几个方案和原则：1 排气 4 效果要好，2 适度的铁水溢流量，3 要有利提高铸件表面质量，4 冒口清 理要方便。另外冒口在铸件上的位置的选择也十分重要，对获得合格铸件有着 重要的意义。冒口应尽量放在铸件最后凝固的热节点的上边或旁边；冒口位置 还应考虑放在铸件最高最厚的地方；同时冒口的安放应尽量不阻碍铸件的收缩， 而且最好不要放在加工面上。随着铸造技术的发展，保温冒口的研究已成为冒 口研究的热点，保温冒口工艺符合顺序凝固原则，有利于发挥冒口的补缩作用， 提高冒1 ：3 的补缩效率；保温冒口的体积相对与传统冒口来说，体积大大减小， 对降低生产成本提高铸件合格率有着很重要的意义。 l - 1 3 3 制芯 发动机缸体、缸盖是采用砂芯最多的铸件之一，砂芯选用是否恰当及质量 的好坏，对汽缸体铸件质量起着至关重要的作用。缸体砂芯一般包括水套芯、 曲轴箱芯、缸筒芯、顶面前后端面芯等，根据缸体结构不同，还可能有油道芯、 水道芯等一些小的砂芯。缸盖砂芯同样多而复杂，如水套芯、油道芯是典型的i 级芯，细薄、易断，且特别复杂，且芯盒活块多。制芯工艺是汽缸体生产中进 步最快的工艺之一，目前各厂家主要采用的制芯工艺有冷芯工艺、壳芯工艺和 热芯工艺。由于冷芯工艺对模具材质的要求较低，又没有反复加热冷却产生芯 盒变形，所以芯盒尺寸精度能够较好的维持，而且冷芯工艺还具有耗能低，效 率高，周期短劳动条件好等优势，因此冷芯工艺已开始逐渐取代热芯工艺。壳 芯近年来的发展也比较快，现在普通覆膜砂的树脂加入量已降到了1 8 2 0 i l 引，大大降低了砂芯发气量和制芯成本，另外由于覆膜砂和制芯设备的发 展也促进了壳芯工艺在生产中的应用。 1 2 发动机缸体、缸盖铸造发展趋势 1 材质的发展方向：目前传统的铸铁材料在发动机缸体、缸盖生产中仍然 占据着主要地位，但是其他材料的应用已开始盛行，并有取代传统铸铁的趋势。 、向轻型的铝镁合金的方向，其重量轻是最大的优点，其次导热性好能很好 的提高发动机功率，目前在轿车用缸盖和大型柴油机缸盖上的使用已开始盛行。 二、向蠕墨铸铁材料的方向发展，蠕墨铸铁的优良的耐高温热疲劳性，使其在 大马力发动机缸体、缸盖铸件中得到应用，发动机要求马力大重量轻体积小， 当前由于发动机缸盖燃烧室间的距离过小容易引起燃烧室间鼻梁的裂纹，使用 蠕铁可以大大解决这一问题，因此蠕墨铸铁的应用有很高的价值，目前有些运 动赛车已开始使用蠕铁。三、其他新材料的应用，如高密球墨铸铁( d g i ) ，因为 它比铝合金和灰铸铁更坚固耐用，又更能承受高压，所以它在某些领域发挥着 奇效的作用，将促进小型发动机获得更好的性能和更经济的燃油性，可以大胆 预测，在不久的将来小型发动机将使用此材料生产发动机缸体、缸盖i l 5 1 。 2 铸造工艺的发展方向 1 6 - 1 7 1 ：压铸工艺目前已经广泛应用于铝合金的缸体、 缸盖的大批量生产中，但是由于发动机缸体、缸盖铸件的复杂性，其高熔点的 材质生产中的应用很少。消失模工艺由于其尺寸精度高、投资省以及环境污染 少等突出优点已在汽车铝合金进气管、阀门、箱体、管件等行业得到了推广应 用，并在技术难度较高的铸铁缸体、缸盖铸件的生产上逐渐的开始应用。消失 模铸造技术是铸造中的绿色工程，运用消失模铸造工艺来组织生产发动机缸体、 缸盖不仅具有节省成本的优势，同时为其进行高质量流水线生产提供了便利。 目前国外已经有多家企业采用了消失模铸造工艺来生产铝合金发动机缸盖以改 善发动机乃至整车的综合性能并取得了显著的效果，如美国的通用汽车g m 公 司、德国的宝马汽车b m w 公司等。 1 3 铸造成型在数值模拟中应用发展概况 尽管铸造过程模拟的应用已经有几十年的历史，但是直到2 0 世纪8 0 年代， 才开始实现模拟软件、计算机硬件和人力资源的完美结合，工业上以计算机为 基础的模拟才开始普遍应用。目前，计算机模拟已发展为铸造过程最具潜力的 模拟预测工具，并在某些方面已经进入工业化应用阶段，成为铸造行业发展不 可缺少的环节。 1 3 1 国外发展概况 1 8 - 2 0 l 最早用于铸造过程模拟的是美国哥伦比亚大学的“h e a ta n dm a s sf 1 0 w a n a l y z e r 分析单元，基于此分析单元v i c t o rp a s c h k i s 于1 9 4 4 年在砂模上做 了热传导分析。在2 0 世纪8 0 年代早期，一种被称为流动体积法( v o l u m eo ff l o w ， v o f ) 由h i r t 和n i c h o l a s 引入，把流动体积函数作为主要参数，用来追踪流动 自由表面。有限元法( f e m ) 最初是用来解决结构复杂应力分析问题的，但在2 0 世纪6 0 年代，有人开始应用f e m 法解决稳态和瞬态热传导问题。其中a f s 传热 委员会发起并提出了鼓励更深入开展此项研究的计划，密歇根大学的研究人员 发表了一些重要的文献；r o b e rp e h l k e 和j a m e sw i l k e s 模拟了砂型铸造过程， 浇注了包括碳钢、铝和含铅的黄铜合金等各种材料，结果表明，f d m 法很大程 度上受浇注介质热物理参数的影响。1 9 7 3 年挪威的v i c t o rd a v i e s 等人在浇注 铝制品时，将f d m 法应用于砂型铸造、金属型铸造和低压铸造。1 9 7 4 年l o s a l a m o s 科学实验室开发了计算机生成的颜色移动图片技术，这种技术使用标准 的缩微胶卷拍摄装置，通过对一系列光过滤器设置的控制程序，利用1 1 种复合 颜色描述不同温度范围，最终产生条状或斑点状图像，实现了凝固模拟技术铸 型剖面的可视化。从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，随着计算机技术的提高，建立 6 了更多的模拟过程与计算模型，这些模型可进行充型模拟，预测浇注温度变化、 模拟液体流动方式以及预测这些因素对铸件质量的影响。8 0 年代早期瞬时充型 的假设得到一定的应用，8 0 年代后期，充型模拟快速发展，这使得铸造厂能有 效利用浇注系统消除由流动引起的铸造缺陷，对凝固和补缩能产生一个最佳的 温度分布，提高了铸件质量和产率。9 0 年代后期，发展了微结构模拟，它除了 对冶金学有更深意义的影响外，还能预测和控制铸件的机械性能。此后不久， 人们通过对流和扩散模拟认识了熔融金属液体在生长的枝晶臂间流动的过程。 9 0 年代后期，对应力和变形的模拟研究，更有利于控制铸件的扭曲变形，减少 残余应力，最大程度地消除热裂纹和裂缝，减少模具变形，提高了模具的使用 寿命。 i 3 2 国内发展概况1 2 t - 2 2 i 我国从1 9 7 8 年起开展数值模拟研究，虽然起步较晚，但十多年的研究一直 与铸造生产实际密切结合，形成了我国研究的特色。为了把有限的财力用到发 开计算机技术来改造铸造传统产业，赶上国际先进水平，国家先后组织沈阳铸 造研究所、大连理工大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、沈阳工业大学、 哈尔滨科技大学、第一重型机器厂七个单位的优秀研究人员，先后开展了六五 国家科技攻关“大型铸件凝固控制研究”和七五国家攻关“大型铸钢件铸造工 艺c a d 研究。经过十年的国家级联合攻关，研制出一系列计算机软件。这些 软件可以在微机和c a d 工作站上运行。可以针对国家急需的重大装备中的大型 铸钢件，小至几吨，大至几十吨、几百吨进行浇注系统设计、冒口工艺设计、 外冷铁工艺设计，可以对应力裂纹进行预测，缩孔疏松进行预测和凝固过程数 值模拟，通过电脑试浇，减少中间环节，确保铸造工艺一次性可靠，使铸件 质量达到相应国际标准或公司标准。 1 3 3 铸造模拟发展方向 目前计算机在模拟铸造过程中的应用研究主要集中在以下4 个方面： ( 1 ) 充型凝固模拟。已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三维 有限差分法、数值法与解析法等，主要以砂型铸造的充型模拟为主，其发展趋 势是辅助设计浇注系统。 ( 2 ) 缩孔缩松预测。钢铸件的缩松判据可采用c r y 2 ，是将其由二维扩展到 三维进行缩松形成的模拟，对于同时存在多个补缩通道的铸件，则采用多热节 法进行缩孔、缩松的预测。铸件缩孔与缩松的图像模拟也在卓有成效地进行。 ( 3 ) 凝固过程应力模拟。主要针对铸件残余应力和残余变形进行模拟，而液 固共存时应力场数值模拟是应力场数值模拟的核心，许多铸造缺陷如缩松、缩 7 孔、热裂等都发生在此阶段。由于液固共存态力学性能的测定十分困难，目前 还没有完全建立此阶段的力学模型，因此仍是整个铸造过程模拟的难点。国内 外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。现阶段应力场研究大都是在自 己的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如a n s y s 、m a r c 、a d i n a 等进行 二次开发，也建立了相应的数学模型，主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性 模型等。对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据，也 提出了几种不同的理论，但总的来说这些理论还不能进行定量描述，尚需进一 步研究。近几十年发展起来的流变学为固液两相区的力学行为研究拓展了新的 方向，在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性体等理 想的力学模型组合来表示材料复杂的流动及变形规律，从而能够准确地反映流 动变形随时间的变化规律，因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程中尤其 是准固相区的流动及变形规律。另种方法是将有限差分法和有限元法结合起 来，利用有限差分法分析流动和传热，用有限元法计算应力。 ( 4 ) 凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个复杂的过程，比凝固和充 型过程模拟具有更大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现，已成为 材料科学的研究热点之一。这些方法虽能在定程度上比较准确地模拟合金的凝 固组织，但由于实际的凝固过程比较复杂，这些方法都作了很多假设，因此离 实际的铸件凝固组织模拟还有一定距离。目前主要的模拟方法有确定性模拟、 随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等。 i 4 课题的来源及意义 本课题来源于某铸造厂对外接单的小型缸体的生产试制。 铸件成形过程计算机的数值模拟，如凝固过程温度场的数值模拟、充型过 程流动场的数值模拟、应力场数值模拟和组织形态的数值模拟，通过对这些单 一和复合过程数值模拟的研究，可以对液固转变过程中产生的诸如缩孔、缩松、 夹渣、气孔、裂纹等各种铸造质量问题进行分析，找出其产生的内在原因，达 到提高产品质量，消除铸造缺陷的作用；可以在生产之前对其过程质量进行预 测，对不同的工艺方案进行质量对比，实施工艺优化；由于产品质量预测可以 在计算机上进行，并没有经过试生产，因而可以节省大量的人力、物力、财力， 尤其是新产品试制和大批量造型线生产的铸件，既方便快捷又有显著的经济效 益。本课题通过在计算机上用铸造模拟软件p r o c a s t 对发动机缸体铸造成形过 程的数值模拟，建立起它在铸造过程中的充形过程流动场、凝固过程温度场的 数理模型，对铸件的浇注系统进行优化，并预测铸件的缩孔、缩松的可能性。 因此本文希望达到以下的研究目的： ( 1 ) 在完成铸造工艺编制之前，通过p r o c a s t 模拟软件对发动机缸体铸造在 形成过程中的流场、温度场进行仿真分析并预测铸件的质量，以对其浇注系统 8 进行优化。 ( 2 ) 通过对金属流动过程和温度场的模拟，可以精确显示浇不足、冷隔、 裹气和热节的位置，准确地预测缩孔缩松和微观组织，以指导发动机缸体的实 际生产。 1 5 课题工作的内容与关键问题 根据设计图纸在u g 中绘制出该型发动机缸体的三维立体模型( 如图卜1 ) 。 圉i 1 发动机缸体三维结构图 从图中可以看出，该铸件的壁厚不均匀最小壁厚4 m m ，最大壁厚4 0 m m ，属 于典型的高强度薄壁复杂铸件，其铸件最大外形尺寸为3 7 0 1 n m x 2 4 0 m m 2 5 0 m m ， 单个缸体铸件的质量为3 0 培，材质为h t 2 5 0 。其采用的足一般的砂型铸造，可 见其铸造工艺十分复杂铸造难度大。 1 5 1 研究的主要内容 论文的主要工作包括： ( 1 ) 设计发动机缸体的浇注系统，对比发动机缸体不同的铸造工艺技术，进 而对浇注系统的设计参数进行优化。 ( 2 ) 研究发动机缸体铸造过程仿真模拟技术，根据模拟结果，对其铸造过程 中产生的各种铸造质量问题进行分析，找出其产生的内在原因，找出浇注系统 最合理的设计方案。 ( 3 ) 根据模拟结果，对优化后的铸造工艺进行实际制样，对比模拟结果和实 际试样，确定生产发动机缸体的最佳工艺方案。 1 5 2 研究所要解决的问题与预期效果 拟解决的问题：对过程中产生的各种铸造质量问题进行分析，找出其产生 的内在原因。 ( 1 ) 通过分析生产中出现的问题，找出原因进而对发动机缸体铸造浇注系统 进行优化，提出多中设计方案。 ( 2 ) 通过模拟软件对以上多种方案进行模拟，在对模拟的速度场、凝固温度 场等进行对比分析，找出最佳的设计方案。结果调整工艺参数，并根据调整 后的工艺参数进行样品试制，判断工艺在实际生产中的可行性。 ( 3 ) 对比多种工艺条件下的模拟结果和实际生产的试样，确定设计方案在实 际生产的可行性，与模拟结果是否一致。 通过解决上面问题本文期望达到以下效果： 通过对发动机缸体铸造充型过程流动场、凝固过程温度场的数值模拟，对 这些单一和复合过程数值模拟的研究，可以对液固转变过程中产生的诸如缩孔、 缩松、夹渣、气孔、裂纹等各种铸造质量问题进行分析，找出其产生的内在原 因，优化铸造设备参数和工艺方案，消除铸造缺陷，提高产品质量。指导实际 生产。 1 5 3 关键问题 ( 1 ) 铸件的正确建模和网格的划分。 铸件建模的正确与否直接关系到网格划分。首先必须对造型软件( u g ) 进 行熟练掌握，保证缸体的各部分复杂特征合理准确地表达出来，否则就会出现 不能成功划分网格或者网格质量较差，进而影响后续计算。 在u g 中建模所得到的缸体的实体三维应以适当的数据接口形式导入前处 理软件p a t r a n 中进行网格划分。网格划分的关键在于要保证网格的密度和质 量。通常网格的密度越大，质量越好，则计算精度高，反之计算量也越大，网格密 度小，则计算精度低，计算量小。此外，网格划分过程中铸件局部可能出现变形或 网格大量塌陷，这会严重影响到后面的数值模拟的计算，所以要返回到建模软件 u g 中进行适当修改，以保证网格划分的质量和密度。 ( 2 ) 浇注系统的理论设计和优化。 发动机缸体的铸造过程中，浇注系统的设计极为重要，它对金属液流动的 方向，充填时间的长短等各个方面都起着重要的控制与调节作用，它不仅决定了 金属液流动的状态，而且是影响压铸件质量的重要因素。论文中主要根据铸造手 册和经验公式理论设计出浇注系统，然后根据实际情况进行优化。 l o ( 3 ) 铸造过程仿真模拟中各种参数的设置与运用。 这是论文的关键，模拟中参数的设置，其实就是怎么样将实际生产中的各种 工艺条件在模拟软件中通过参数的设置表达出来。首先要充分了解充型、凝固 过程有限元数值模拟基础理论，其次要合理确定各种参数，才能准确地模拟充型 凝固过程的流场、温度场等，预测缩松缩孔等铸造缺陷。此外，数据的后处理问 题也很关键，包括对流场、温度场分布云图、铸件固相分数图、凝固时间分布图、 缩松缩孔预测分布图等一系列问题的分析，应充分掌握理论分析的科学性和准 确性，能够从后处理数据中提取优化的分析结果，进而对浇注系统进行优化设 计。 第二章重力铸造充型过程数值模拟理论 铸造生产的实质就是直接将液态金属浇入铸型中凝固和冷却，进而得到铸 件。金属液充型过程是铸件成形的第一阶段。很多铸造缺陷都是在这一阶段产 生的。因此了解并控制充型过程是获得优质铸件的重要条件。但是，由于充型 过程非常复杂，长期以来人们对充型过程的控制主要是建立在大量的试验基础 上的经验准则。随着计算机技术的发展，从8 0 年代开始，科学工作者在此领域 进行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工 程实用化方面均取得了重大突破。目前铸件充型凝固过程的数值模拟的发展已 进入工程实用化阶段。与充型过程相比，铸件凝固过程温度场模拟相对要成熟 得多，温度场模拟以及建立在此基础上的铸件缩孔缩松预测是目前凝固模拟商 品化软件最基本的功能模块之一。应用先进的数值模拟技术，铸造生产正在由 经验走向科学理论指导。通过充型凝固过程模拟，人们可以掌握主要铸造缺陷 的形成机理，优化铸造工艺参数，确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成 本。目前砂型铸造的充型模拟仍然占据主导地位。 砂型铸造的铸件在充型过程中会产生氧化、传热、热损失、冲击破坏等一 系列化学和物理的变化，因此充型过程与铸件质量密切相关。铸造过程中产生 的许多缺