胡華林，浦永康，王建榮

（南車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州 213011）

基于PROCAST的R12V280機(jī)體鑄造工藝設(shè)計(jì)

胡華林，浦永康，王建榮

（南車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州 213011）

介紹了R12V280機(jī)體鑄造工藝設(shè)計(jì)，借助PRO CAST軟件對(duì)其流動(dòng)場和溫度場進(jìn)行模擬計(jì)算，以獲得較完善的鑄造工藝，然后采用此鑄造工藝進(jìn)行鑄件的試制。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，該工藝方案合理、有效，按此鑄造工藝生產(chǎn)的機(jī)體各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足驗(yàn)收條件的要求。

R12V280機(jī)體；鑄造工藝設(shè)計(jì)；PRO CAST軟件；模擬計(jì)算

0　前言

R12V280機(jī)體是HXN5B內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)上的關(guān)鍵零部件，其具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚相差大和技術(shù)要求高等特點(diǎn)。鑄件主要外形尺寸為3 200 ×1 480×1 328 （mm），鑄件質(zhì)量約7.5 t。

機(jī)體試制時(shí)，為滿足進(jìn)度要求和盡力降低試制成本，采用R16V280機(jī)體木質(zhì)模樣、芯盒改制模樣、芯盒，仍用劈箱造型、底注工藝進(jìn)行生產(chǎn)。但木質(zhì)模樣、芯盒經(jīng)長期使用后易產(chǎn)生變形，尺寸精度更低，鑄件的表面質(zhì)量變差，清理的工作量很大，難以滿足批量生產(chǎn)的要求。為確保產(chǎn)品的質(zhì)量和適應(yīng)現(xiàn)場生產(chǎn)的需要，制作金屬模樣、芯盒用于批量生產(chǎn)，鑄造工藝也進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。但按照傳統(tǒng)的工藝驗(yàn)證方法，每一次的驗(yàn)證周期，從機(jī)體的造型、制芯到鑄件清理完畢及至機(jī)加工完成，至少需要三個(gè)月時(shí)間，顯然無法滿足后續(xù)的生產(chǎn)要求。

為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，避免試制過程中出現(xiàn)被動(dòng)局面，充分利用計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合PROCAST軟件對(duì)R12V280機(jī)體鑄造過程的模擬情況，進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，提高工藝的可靠性。

1　鑄造工藝方案的確定

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件要求和生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際情況，確定采用呋喃樹脂自硬砂組芯造型工藝進(jìn)行鑄造。為確保鑄件的尺寸精度，V形芯和凸輪軸腔芯由以前的拼芯改為整體芯，過渡水腔芯和推桿孔芯由呋喃樹脂自硬砂手工制作改為覆膜砂射芯制作。

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為開放式，采用兩側(cè)面雙層階梯澆注系統(tǒng)，下層內(nèi)澆道從油泵推桿孔平面引入，上層內(nèi)澆道則位于水平螺栓孔略上方，利用相同的直澆道，通過澆注系統(tǒng)各組元截面積的控制來實(shí)現(xiàn)分層注鐵。

至于冒口的設(shè)計(jì)，根據(jù)主軸承座部位的補(bǔ)縮需要，在其上方設(shè)置了暗冒口，而油底殼安裝面則設(shè)置了16只圓的明冒口，以利排氣、排渣。

2　鑄造過程的模擬

2.1機(jī)體實(shí)體建模

利用三維幾何造型工具UG軟件將R12V280機(jī)體鑄件及其澆冒系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體造型，如圖1所示。

圖1　R12V280機(jī)體鑄件及其澆冒系統(tǒng)實(shí)體圖

2.2網(wǎng)格處理

由于機(jī)體體積龐大且基本對(duì)稱（鑄件和澆冒系統(tǒng)均基本對(duì)稱），為了減少計(jì)算時(shí)間，切取機(jī)體的一半進(jìn)行分析。將切取的R12V280機(jī)體實(shí)體圖導(dǎo)入GeoMesh軟件，先用GeoMesh對(duì)圖形進(jìn)行網(wǎng)格預(yù)處理，以減少網(wǎng)格的錯(cuò)誤數(shù)量，從而減少網(wǎng)格的修復(fù)時(shí)間；然后再導(dǎo)入PROCAST軟件用MeshCAST進(jìn)行表面網(wǎng)格的劃分，并對(duì)錯(cuò)誤網(wǎng)格進(jìn)行修補(bǔ)；最后進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)，需選取合適的參數(shù)，既要保證足夠的精度，又不能使網(wǎng)格數(shù)量太多，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，便于計(jì)算過程調(diào)試［1］。對(duì)于機(jī)體鑄型系統(tǒng)，經(jīng)過多次調(diào)整，最后確定較為合適的網(wǎng)格數(shù)為670 523。

2.3初始條件的確定

在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，初始數(shù)據(jù)和邊界條件特別重要。PROCAST軟件的數(shù)據(jù)庫中雖然提供了許多材料數(shù)據(jù)，但并不能完全與現(xiàn)場相符。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況和長期的鑄造工藝工作經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合軟件的數(shù)據(jù)庫，確定了計(jì)算用的初始數(shù)據(jù)和邊界條件。

（1）材料的分配

機(jī)體本體和澆注系統(tǒng)的材料為QT500-7，其密度設(shè)為隨溫度而變化的曲線如圖2所示。外冷鐵的材料定為HT150，砂型材料定為樹脂自硬砂。

圖2　機(jī)體材料密度隨溫度的變化曲線

（2）界面?zhèn)鳠釛l件的確定

鑄件與外冷鐵間傳熱系數(shù)定為h=1 000，鑄件與砂型間傳熱系數(shù)按圖3所示曲線，外冷鐵與砂型間傳熱系數(shù)定為h=400。

（3）添加邊界條件

通過設(shè)定澆注位置（直澆道的頂面）、澆注溫度（1 340 ℃）、澆注時(shí)間（60 s），并確定重力的坐標(biāo)方向（Y方向）。

圖3　鑄件與砂型間傳熱系數(shù)曲線

（4）定義模型的初始溫度

鑄件初始溫度設(shè)為1 340 ℃，外冷鐵和砂型的初始溫度設(shè)為常溫25 ℃。

（5）計(jì)算參數(shù)的確定

由于機(jī)體比較復(fù)雜、尺寸又較大，計(jì)算時(shí)間估計(jì)比較長，因此將計(jì)算步數(shù)設(shè)為20 000，計(jì)算結(jié)果保存頻率定為20，流動(dòng)模式系數(shù)定為3。

3　模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1流動(dòng)場

圖4為流動(dòng)場計(jì)算結(jié)果示意圖?？梢钥闯?，從內(nèi)澆道進(jìn)鐵液開始直至冒口澆滿，整個(gè)充型過程均處于平穩(wěn)狀態(tài)，無紊流、卷氣等不良現(xiàn)象。

圖4　機(jī)體流動(dòng)場計(jì)算結(jié)果

從圖4中還可看出，當(dāng)?shù)谝粚觾?nèi)澆道鐵液充型至主軸承座上方時(shí)，第二層內(nèi)澆道開始進(jìn)鐵液，成功實(shí)現(xiàn)了相同直澆道階梯澆注系統(tǒng)的分層注鐵，這符合工藝設(shè)計(jì)意想，說明澆注系統(tǒng)各組元的設(shè)計(jì)是合理的。

3.2溫度場及收縮缺陷的預(yù)測

球墨鑄鐵縮孔、縮松缺陷的預(yù)測較鑄鋼件困難，因?yàn)榍蚰T鐵不僅有液態(tài)和凝固體收縮，而且有石墨化體積膨脹，鑄型剛度、孕育和球化狀況、合金成分和殘留合金元素等影響較大。PROCAST軟件在進(jìn)行球墨鑄鐵的縮孔、縮松缺陷的預(yù)測時(shí)，采用動(dòng)態(tài)收縮膨脹疊加方法，考慮了液態(tài)和凝固體收縮，以及石墨化體積膨脹和鑄型剛度的綜合效果，相對(duì)較為準(zhǔn)確［2］。

圖5為機(jī)體溫度場計(jì)算結(jié)果示意圖，從圖中可看出，機(jī)體缸頭螺栓孔、主軸承座和水平螺栓孔以及油底殼安裝面等部位存在縮孔、縮松缺陷的可能性都比較大。從結(jié)構(gòu)上和澆注位置上分析，機(jī)體缸頭螺栓孔和水平螺栓孔等鉆孔部位因功能設(shè)計(jì)需要，被設(shè)計(jì)為搭子結(jié)構(gòu)，其通過立板或連接壁與其它部位進(jìn)行連接，這些螺栓搭子部位的壁厚都很厚，但其周圍的立板或連接壁的壁厚則很薄，這樣就使得這些螺栓搭子部位在鑄件中成為孤立熱節(jié)；主軸承座部位整個(gè)部位的壁厚都很大；而對(duì)于油底殼安裝面部位，不僅壁厚較大，且位于機(jī)體澆注位置的最上方，還存在冒口的接觸效應(yīng)。

機(jī)體鑄件澆注后，缸頭螺栓孔、主軸承座等部位因斷面比較厚大，金屬堆積體積較多，這些部位凝固時(shí)間均很長，最后導(dǎo)致凝固時(shí)期體收縮所產(chǎn)生的體積虧損也就很大［3］，易引起縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生。

同時(shí)由于較長的凝固時(shí)間和較差的冷卻條件，還易引起球化衰退或石墨漂浮缺陷的產(chǎn)生。

圖5　機(jī)體溫度場計(jì)算結(jié)果

4　設(shè)置外冷鐵后模擬驗(yàn)證及實(shí)施

4.1外冷鐵的設(shè)置

利用PROCAST軟件中MeshCAST的“Create Layered Shell”功能在機(jī)體缸頭螺栓孔、主軸承座和水平螺栓孔以及油底殼安裝面等部位設(shè)置外冷鐵，如圖6所示。

圖6　機(jī)體外冷鐵的設(shè)置

4.2模擬驗(yàn)證

外冷鐵方案設(shè)置好以后，再按上述的初始條件重新進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，機(jī)體缸頭螺栓孔、主軸承座和水平螺栓孔以及油底殼安裝面等部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的可能性被消除，如圖7所示。

圖7　設(shè)置外冷鐵后機(jī)體溫度場計(jì)算結(jié)果

4.3生產(chǎn)實(shí)施

在實(shí)際生產(chǎn)中，按PROCAST軟件模擬驗(yàn)證過的鑄造工藝進(jìn)行機(jī)體金屬模工藝試驗(yàn)以及后續(xù)的機(jī)體批量生產(chǎn)，缸頭螺栓孔、主軸承座等部位設(shè)置了外冷鐵，加快了這些部位的凝固、冷卻速度，使得內(nèi)部組織致密。

至目前為止，采用該工藝已生產(chǎn)機(jī)體八十幾臺(tái)，其中已有五十幾臺(tái)加工完成，缸頭螺栓孔、主軸承座等部位未發(fā)現(xiàn)有縮孔、縮松缺陷存在，機(jī)體的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足驗(yàn)收條件的要求。

5　結(jié)論

（1）采用PROCAST軟件對(duì)R12V280機(jī)體鑄造進(jìn)行凝固模擬分析，流動(dòng)場的分析結(jié)果與工藝設(shè)計(jì)意想一致，也與機(jī)體的實(shí)際澆注情況基本相符；溫度場及收縮缺陷預(yù)測的計(jì)算結(jié)果與機(jī)體的加工情況基本相符。

（2）模擬結(jié)果認(rèn)為在不設(shè)置外冷鐵的情況下，機(jī)體缸頭螺栓孔、主軸承座和水平螺栓孔以及油底殼安裝面等部位存在縮孔、縮松缺陷的可能性都比較大。

（3）從模擬結(jié)果來看，機(jī)體缸頭螺栓孔和主軸承座等部位設(shè)置外冷鐵后，產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的可能性被消除。按PROCAST軟件模擬驗(yàn)證過的鑄造工藝進(jìn)行機(jī)體金屬模工藝試驗(yàn)和后續(xù)的機(jī)體批量生產(chǎn)，機(jī)體經(jīng)加工后缸頭螺栓孔、主軸承座等部位未發(fā)現(xiàn)有縮孔、縮松缺陷存在，機(jī)體的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足驗(yàn)收條件的要求。

［1］ 陳海清，李華基，曹陽.鑄件凝固過程數(shù)值模擬［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1991，4：41-71.

［2］ 徐貴寶，胡華林，張國榮.280柴油機(jī)鑄造機(jī)體凝固模擬及工藝優(yōu)化［J］.機(jī)車車輛工藝，2003，（2）：22-25.

［3］ 陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)［M］，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996，8：143-145.

［4］ 范曉明，王志，龍志平， 等.基于ProCAST的葉輪鑄件鑄造工藝優(yōu)化［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2014（4）：11-14.

［5］ 劉宏偉，李日，俱英翠，等.基于ProCAST的消失模鑄造工藝的數(shù)值模擬研究［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2006（2）：48-50.

Casting Process Design for the R12V280 Engine Block Based on PROCAST Simulation

HU HuaLin， PU YongKang， WANG JianRong
（CSR Qishuyan Locomotive Co.Ltd.， Changzhou 213011， Jiangsu， China）

Casting technology design for the R12V280 Engine block based on the simulation of the fl ow fi eld and temperature fi eld by the simulation system of PROCAST has been discussed， for an improved casting technology which will be used in the casting pilot production. It has been verified during production to be reasonable and effective， every technical index of the R12V280 Engine block castings have met the requirements of product specifi cation.

R12V280 Engine block； Casting technology design； PROCAST software； Analog computation

TG242.1;

A；

1006－9658（2015）01－0012-04

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.01.003

2014-10-09

稿件編號(hào)：1410-670

胡華林（1969—），男，教授級(jí)高工，現(xiàn)從事鑄造工藝工作.