凌有臨，夏樂春，唐文獻，張宗政，時學(xué)生

(1.四洋柴油機制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

汽缸套立式離心鑄造工藝仿真

凌有臨1，夏樂春2，唐文獻2，張宗政2，時學(xué)生2

(1.四洋柴油機制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

運用ProCAST數(shù)值模擬軟件對汽缸套立式離心鑄造過程進行了數(shù)值模擬，確定了汽缸套鑄件數(shù)值模擬的相關(guān)工藝參數(shù)：澆注速度2kg/s、澆注溫度1 300℃、鑄型轉(zhuǎn)速5 000r/min。對汽缸套的立式離心鑄造過程進行數(shù)值模擬分析，可以有效地預(yù)測缺陷，提高鑄件質(zhì)量，為生產(chǎn)提供了依據(jù)。

立式離心鑄造;汽缸套;數(shù)值模擬；ProCAST

汽缸套是發(fā)動機的重要零件，工作中與活塞的配合運動會造成磨損和熱沖擊，也會受到腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，因此對汽缸套內(nèi)表面質(zhì)量要求相當(dāng)高。汽缸套材質(zhì)為鑄鐵，為提高汽缸套的相關(guān)性能，會適當(dāng)?shù)丶尤胛⒘吭?，如P、B、Cr等。目前，國內(nèi)汽缸套毛坯多為臥式離心鑄造，其質(zhì)量缺陷多、加工余量大、經(jīng)濟成本高，并且加工后的內(nèi)表面仍需要作相應(yīng)的后處理才能滿足汽缸套的使用要求，同時鑄造工藝以傳統(tǒng)經(jīng)驗嘗試為主，導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)周期過長；立式離心鑄造可以有效地避免質(zhì)量缺陷，提高內(nèi)表面質(zhì)量，減小加工余量，并通過對汽缸套進行數(shù)值模擬分析，在短時間內(nèi)優(yōu)化工藝。因此，有必要對汽缸套立式離心鑄造工藝仿真進行研究，這對汽缸套制造行業(yè)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

以某工廠某汽缸套產(chǎn)品的立式離心鑄造成型過程作為研究對象，采用理論分析與有限元軟件工藝仿真相結(jié)合的研究方法，通過改變相關(guān)工藝參數(shù)，對汽缸套的成型過程進行仿真與理論分析，探討汽缸套生產(chǎn)的工藝規(guī)律，為立式離心鑄造汽缸套的生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型的建立與方案的選擇

1.1數(shù)值模型的建立

聯(lián)合運用ProCAST與Pro/E對鑄件成型過程進行數(shù)值模擬，準(zhǔn)確計算其各階段的溫度場、應(yīng)力場變化，獲取生產(chǎn)合格鑄件的工藝參數(shù)。在Pro/E中汽缸套及其澆注系統(tǒng)的實體模型如圖1所示，汽缸套模具裝配如圖2所示，其中包括砂型、澆注系統(tǒng)、砂芯等，并對相關(guān)零件進行面網(wǎng)格劃分；在ProCAST中進行體網(wǎng)格劃分，以便于模擬鑄件的充型凝固，如圖3[1]所示。

圖1 汽缸套

圖2 模具裝配 圖3 汽缸套的網(wǎng)格

1.2工藝方案的選擇

高硼鑄鐵是優(yōu)良的汽缸套材料，具有優(yōu)良的鑄造性能，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，其化學(xué)成分見表1。

表1 高硼鑄鐵的化學(xué)成分

將硼合金中各元素的含量百分比數(shù)值輸入到ProCAST材料數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)計算得到硼合金鑄鐵的固相率與溫度的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 固相率與溫度的關(guān)系

由圖4可知，硼合金鑄鐵的固相線溫度為1 117℃，液相線溫度為1 191℃，這為模擬分析提供參數(shù)設(shè)置依據(jù)。

2 計算機模擬中所涉及的相關(guān)參數(shù)。

a.界面參數(shù)： 模具材料為SAND(鑄型砂)，澆注時考慮輻射換熱、導(dǎo)熱和對流換熱，設(shè)定砂型與高溫合金鑄件之間的換熱系數(shù)是500W/(m2·K)。

b.邊界條件：將模型外表面的冷卻方式設(shè)置為空冷，設(shè)定金屬液的初始溫度在1 280℃～1 350℃。

c.鑄型轉(zhuǎn)速：澆注轉(zhuǎn)速過大，金屬液流動過程中會出現(xiàn)紊流，金屬液內(nèi)部的空氣在凝固之前無法離開鑄件，從而產(chǎn)生氣孔等缺陷；轉(zhuǎn)速過小，可能導(dǎo)致充型尚未完成，金屬就已經(jīng)凝固，易造成冷隔和澆不足等缺陷。經(jīng)查閱相關(guān)文獻，離心鑄造過程中離心機的轉(zhuǎn)速采用重力系數(shù)公式[2]求得：

式中：n為鑄型的轉(zhuǎn)速，r/min；G為重力系數(shù)；r0為鑄件內(nèi)表面半徑，m。

一般而言，鑄造中小汽缸套時，G的取值范圍是50～80。通過計算并結(jié)合實際情況，選擇離心機的轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。

d.澆注速度：平緩快速澆注利于充型，并使鐵液溫度均勻，有助于雜質(zhì)的排除。不同質(zhì)量的汽缸套的澆注速度見表2[3-4]：

表2 不同質(zhì)量鑄鐵汽缸套的澆注速度

根據(jù)汽缸套鑄件的質(zhì)量，數(shù)值模擬采用的澆注速度為2kg/s。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

鑄件的凝固過程伴隨著溫降與相變，過程比較復(fù)雜，圖5為汽缸套凝固的仿真結(jié)果。圖中給出了汽缸套凝固過程中不同時刻的固相分數(shù)，云圖顯示了不同時刻對應(yīng)的凝固比率，反映了汽缸套的凝固比率和先后凝固的部位，從凝固的過程可以很明顯地看到鑄件是按自下而上、自外向內(nèi)的順序進行凝固，澆注系統(tǒng)最后凝固。離心鑄造的最大優(yōu)點在于金屬液在重力和離心力共同作用下充型、凝固，不同質(zhì)量的微觀顆粒會在離心力的作用下向著鑄件最外面運動，直至凝固靜止，因此離心鑄造的產(chǎn)品內(nèi)部致密性非常好，一般不會有縮孔，即便有縮孔，相比傳統(tǒng)重力鑄造數(shù)量也很少。這也是為什么很多有致密性要求的鑄件選擇離心鑄造的原因。

圖5 不同時刻的凝固比例

在凝固仿真后處理中，通過模擬溫度場與應(yīng)力場來研究鑄件的應(yīng)力[5-6]。在凝固過程中，鑄件的應(yīng)力是所有應(yīng)力的綜合作用，包括熱應(yīng)力、機械應(yīng)力、相變應(yīng)力等；鑄件熱應(yīng)力是應(yīng)力場數(shù)值模擬的一部分，與溫度場中溫度梯度的分布變化有關(guān)，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)、圖6(b)分別顯示了不同時刻凝固進程中溫度場分布云圖。由圖可知，在鑄件凝固過程中，汽缸套的大端面溫度降低較快，下端面與內(nèi)澆口的連接部位溫度降低較慢，因此在汽缸套下端面形成的溫度變化梯度大，很容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。汽缸套厚薄壁變化處的溫度與厚壁部位和薄壁部位不同，在汽缸套的軸向方向產(chǎn)生了溫度梯度，同樣也會在鑄件的這一部位附近產(chǎn)生熱應(yīng)力。針對這2部分的熱應(yīng)力，一般可以采取在鑄件的凝固過程中控制溫降率的措施消除熱應(yīng)力，比如在大端面設(shè)置隔熱層，降低端面溫降的速率；在厚薄變化的部位，增加冷卻水裝置，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果合理設(shè)置冷卻水的布局與水流的速度及循環(huán)時間。

圖6 不同時刻凝固溫度場分布云圖

鑄件的應(yīng)力對產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大，應(yīng)力場分布云圖如圖7所示。

由圖7(a)～圖7(d)應(yīng)力云圖可知，汽缸套的兩端與汽缸套的厚薄變化處的應(yīng)力較為明顯，與此前溫度場中分析的熱應(yīng)力情況相似，表明缸套在鑄造過程中，熱應(yīng)力是應(yīng)力的主要來源。因此，降低汽缸套應(yīng)力的措施主要圍繞溫降變化率平緩的原則展開，目前在汽缸套鑄造生產(chǎn)采取的措施也多遵守此原則。

圖7 凝固過程中不同時刻應(yīng)力場分布

4 結(jié)論

本文聯(lián)合運用ProCAST與Pro/E對某工廠某汽缸套產(chǎn)品的立式離心鑄造成型過程進行仿真分析，有效地解讀凝固、溫度場、應(yīng)力場分析結(jié)果，反映了汽缸套鑄造仿真過程的可視性和真實性，解決了工藝缺陷，優(yōu)化了工藝參數(shù)，可為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

[1] 李日,馬軍賢,崔啟玉. ProCAST從入門到精通[M]. 北京:中國水利水電出版社,2010.

[2] 林柏年. 特種鑄造[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2004.

[3] 蔣俊聲,葛建中. 談離心鑄造[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1983.

[4] 張伯明.離心鑄造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5] 曾興旺.離心鑄造充型過程數(shù)值模擬的研究[D].武漢：華中理工大學(xué)，2004.

[6] 熊守美.鑄造過程模擬仿真技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

SolidifiedStructureSimulationoftheCylinderSleevesCastingsinVerticalCentrifugalCasting

LING Youlin1, XIA Lechun2, TANG Wenxian2, ZHANG Zongzheng2, SHI Xuesheng2

(1.Siyang Diesel Engine Manufacturing Co., Ltd, Jiangsu Zhenjiang, 212003, China)(2.Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang, 212003, China)

Taking ProCAST software to simulate the cylinder sleeves in complicated vertical centrifugal casting process, it determines the parameters for microstructure simulation, analyzes the cylinder liners in vertical centrifugal casting process, obtains the parameters required for the simulation of solidification structure for the cylinder sleeve castings. It presents the related process simulation parameters such as casting rate: 2kg/s, casting temperature: 1300℃ and mould speed: 5000 r/min. The simulation analysis for vertical centrifugal casting cylinder liners process can effectively predict defects, improve the quality of castings and provide the basis for the production.

Vertical Centrifugal Casting; Cylinder Sleeves; Numerical Simulation; ProCAST

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.03.008

2013-10-24

凌有臨(1964— )，男，安徽合肥人， 四洋柴油機制造有限公司工程師，主要研究方向為船舶柴油機機電設(shè)計與制造。

TP23

A

2095-509X(2014)03-0030-03