謝正茂，閆順祥，李小偉，黃 淵

（1.重慶機電控股集團鑄造有限公司，重慶 400900；2.四川大學制造科學與工程學院，四川成都 610065）

發(fā)動機缸體是汽車動力系統(tǒng)的關鍵零部件，充當著為汽車提供動力的作用，其尺寸大、形狀復雜、性能要求高，缸體的質量直接影響到發(fā)動機的動力性能、油耗及壽命[1]。目前，發(fā)動機正朝著高增壓、高強度、高壽命的方向發(fā)展[2]。對于大型柴油機的發(fā)動機，由于其性能的需要仍然采用鑄鐵材質的缸體[3,4]。為滿足使用要求，發(fā)動機缸體的力學性能、外觀完整性及尺寸精度方面均受到嚴格控制，這就對發(fā)動機缸體的制造提出了較高的要求。

計算機數值模擬技術能夠動態(tài)地觀察鑄件在充型過程和凝固過程中的實時狀態(tài)，可在較短時間內預測生產過程中的潛在缺陷，為鑄件的實際生產提供可行性方案，提高產品質量，節(jié)約生產成本，因而在鑄件的工藝制定過程中應用十分廣泛[5～7]。

1 缸體的結構分析

研制的缸體為Q19缸體，其模型見圖1。鑄件的最大輪廓尺寸為1213mm×550mm×594mm，主要壁厚為6.4mm，最大壁厚為78mm，最小壁厚為5mm，鑄造材料為HT250，缸體毛坯重460kg，要求鑄件有良好的氣密性和耐壓性，不允許出現(xiàn)氣孔、縮孔縮松、滲漏等缺陷。從圖1可以看出，缸體的尺寸大、內腔結構復雜、壁厚差異大，因此制造難度較大。

2 缸體的工藝分析

考慮到鑄件的結構要求，鑄件砂芯和外模采用三乙胺冷芯盒制作，在24小時后其抗拉強度可達2.0MPa以上，且發(fā)氣量小。整個鑄型由多個砂芯組成，包括上/下外模、缸筒芯、前/后端芯、挺桿室芯和水道芯等，主要砂芯組成部分如圖1所示。整個制芯過程采用機器人制芯、組芯、整體浸涂、下芯及合型，可有效減小尺寸誤差。

圖1 缸體模型及砂芯分布

根據鑄造工藝理論及鑄件的結構特點，對于缸體類薄壁復雜鑄件，必須設計合理的澆注系統(tǒng)，以確保鐵水快速、平穩(wěn)的充型，有效減少砂眼、氣孔、冷隔等鑄造缺陷[8]。目前，國內大多數鑄造廠家在生產大型缸體鑄件時，采用立澆底注或者臥澆中注工藝[1,9]。臥澆中注易導致鐵液充型不平穩(wěn)，水套芯、油道芯在澆注過程中受上升鐵液沖擊力大，氣孔、砂眼、夾渣等缺陷可能出現(xiàn)在缸孔壁與曲軸腔壁，不容易被發(fā)現(xiàn)。采用立澆底注工藝時，鐵液平穩(wěn)上升，水套芯、油道芯有受平穩(wěn)上升的鐵液沖擊小的優(yōu)點，氣孔、砂眼、夾渣等缺陷不容易出現(xiàn)[10]。結合Q19缸體的實際情況，故采用立澆底注式系統(tǒng)，且設計了兩套澆注系統(tǒng)方案，如圖2所示。

3 工藝模擬分析

3.1 工藝模擬參數的設定

采用MAGMA軟件對鑄件進行工藝模擬分析，兩種工藝模擬分析中相關的重要參數如表1所示。

圖2 澆注系統(tǒng)初步設計

表1 工藝模擬參數

3.2 充型速度的分析

圖3和圖4為缸體充型速度的模擬。圖中，圖左為方案一，圖右為方案二（下同）。在充型量為18%時，方案一的充型時間為5.4s，方案二的充型時間為5.1s。從云圖中可以看出，直澆道的充型速度較快，最大速度為2.200m/s。方案一的充型速度比方案二的稍大，但鐵水在進入鑄件時已經平穩(wěn)充型；對于方案二，鐵水先從遠端進入鑄件，造成一定的擾動，但速度不大，產生卷入性氣孔的可能性不大。當充型量達到24%時，兩種方案都已經平穩(wěn)充型，以層流狀態(tài)流動，鑄件內的充型速度小于0.629m/s。

3.3 充型溫度的分析

圖5和圖6為缸體的充型溫度場模擬。方案一的溫度損失為220℃，方案二的損失溫度為222℃，二者相差不大。兩種方案的溫度基本都是從表面向內部遞減，厚大部位和距離澆道近的部位溫度較高，遵循順序凝固原則，有利于減少鑄件在收縮時出現(xiàn)縮孔和縮松的幾率。但是方案二的溫度分布不均勻，尤其在底法蘭兩側，溫度偏低，溫度梯度大，這將在凝固過程中產生較大的熱應力，從而產生熱裂的可能性較大。

3.4 殘余液相的分析

圖7和圖8為缸體的殘余液相模擬。當殘余液相分別約為16%和4%時，兩種方案有著相同的凝固規(guī)律，凝固從鑄件的表面和薄壁處開始，厚大部位和澆道后凝固。兩種方案在熱節(jié)處由于沒有補縮渠道，因此都有可能出現(xiàn)縮孔縮松。但是方案一的殘余液相達到15.96%時，凝固時間為698s；殘余液相為3.97%時，凝固時間為994s。方案二的殘余液相達到15.95%時，凝固時間為782s；殘余液相為3.99%時，凝固時間為1145s。因此，方案一的凝固速度相對較快。由于冷卻速度快在一定程度上能提高過冷度，從而提高形核能力，增加共晶團數量，因此可細化晶粒。

圖3 充型速度模擬—充型量18%

圖4 充型速度模擬—充型量24%

圖5 充型溫度模擬—正面

圖6 充型溫度模擬—反面

圖7 殘余液相模擬—殘余量15.96%

圖8 殘余液相模擬—殘余量3.97%

圖9 縮孔縮松模擬

3.5 縮孔縮松的分析

圖9 為缸體的縮孔縮松模擬?？梢钥闯?，中間厚大處、法蘭面和渦輪殼附近都有不同程度的縮孔縮松出現(xiàn)，且遠離澆道處的缸筒面附近出現(xiàn)縮孔縮松的幾率較大，這是值得注意的。發(fā)動機缸體的燃燒室面承受高溫高壓，其受力復雜，工作環(huán)境非常嚴苛，故必須保證其鑄造質量。從總體分布的缺陷來看，兩種方案出現(xiàn)缺陷的基本位置一致，均出現(xiàn)在最后凝固部位及熱節(jié)部位，這是由于薄壁處先凝固，阻斷了壁厚部位的凝固補縮通道。但是，從整體缺陷產生的幾率分析，方案一出現(xiàn)縮孔縮松的幾率比方案二小。

4 工藝模擬優(yōu)化

綜合分析方案一和方案二可見，在充型時方案二的直澆道遠端鐵水先進入鑄件，有一定的飛濺和紊流傾向，且方案二的溫度場分布不均勻，實際生產中易出現(xiàn)縮孔縮松，因此，方案一的澆注系統(tǒng)設計較為合理。

圖10 冒口和冷鐵的設計

針對模擬過程中出現(xiàn)的缺陷，在工藝優(yōu)化中考慮在鑄件中間的厚大部位設置冷鐵，在缸筒面上增加冒口，且使渦輪殼遠離直澆道，以此來預防縮孔縮松的出現(xiàn)。為了便于冒口清理，冒口根部設計易割槽，具體的鑄造優(yōu)化工藝如圖10所示。

通過對方案一的優(yōu)化工藝進行縮孔縮松的模擬分析發(fā)現(xiàn)，工藝優(yōu)化后在鑄件中不再產生縮孔縮松缺陷。同時，冒口的存在對缸體中金屬液的液態(tài)收縮的確起到了良好的補縮作用，缸筒面也沒有缺陷出現(xiàn)。此外，冷鐵的添加，加快了鑄件熱節(jié)部位的冷卻速度，調節(jié)了鑄件的凝固順序，遠離澆道的渦輪殼位置沒有缺陷出現(xiàn)，說明工藝優(yōu)化過程中冒口和冷鐵的設置是合理的。

最后，對優(yōu)化后的工藝方案進行了鑄件的實際澆注，鑄件的實物圖見圖11。通過對鑄件進行測漏和磁粉探傷等分析檢測發(fā)現(xiàn)，鑄件完全符合質量要求，證明了優(yōu)化工藝方案的可行性和正確性。

5 結論

（1）對鑄件初步設計的兩套澆注系統(tǒng)方案采用MAGMA軟件對其充型過程中的充型速度、溫度分布、殘余液相和縮松縮松等進行了模擬分析，結果表明，立澆底注式的法蘭進水比軸瓦進水效果更好。

（2）對底法蘭進水方案進行澆注系統(tǒng)的工藝優(yōu)化表明，合理設置冒口和冷鐵能改變鑄件冷卻過程中的溫度場分布，可有效防止縮孔縮松的出現(xiàn)，且采用優(yōu)化的鑄造工藝方案生產出了高品質的缸體鑄件。

[1]萬仁芳.汽車工業(yè)發(fā)展與汽車發(fā)動機灰鑄鐵缸體生產技術[J]. 鑄造，2001,12(50)：746-751.

[2]蘇培剛.Q475發(fā)動機缸體的傳熱和強度研究[D].重慶大學,2005.

[3] 黃勝操.發(fā)動機缸體用灰鑄鐵材料加工性鑄鐵材能研究[D].河南科技大學,2013.

[4] 喬印虎，宋辰，王作山，等.發(fā)動機缸體鑄造工藝分析[J].熱加工工藝，2014(07)：65-67.

[5] 錢怡君，程兆，虎于浩.數值模擬在鑄造中的應用進展[J].精密成型工程，2012,4(4)：39-43.

[6] 周丹晨，蔣玉明，楊屹.國外鑄件充型凝固過程數值模擬軟件介紹[J].熱加工工藝，2000(05)：45-46.

[7] 周建榮.發(fā)動機缸體澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設計與數值模擬[D].合肥工業(yè)大學,2009.

[8] 劉偉.汽車發(fā)動機缸體鑄造工藝及材質的研究[D].合肥工業(yè)大學,2009.

[9] 趙小軍.NT缸體鑄造工藝設計及工藝改進：2014重慶市鑄造年會[Z].重慶：2014148-152.

[10] 劉增林.發(fā)動機缸體2種立澆工藝的對比分析 [J].現(xiàn)代鑄鐵，2016,36(1)：54-58.