基于PROCAST的R12V280機體鑄造工藝設計

胡華林，浦永康，王建榮

（南車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州 213011）

基于PROCAST的R12V280機體鑄造工藝設計

胡華林，浦永康，王建榮

（南車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州 213011）

介紹了R12V280機體鑄造工藝設計，借助PRO CAST軟件對其流動場和溫度場進行模擬計算，以獲得較完善的鑄造工藝，然后采用此鑄造工藝進行鑄件的試制。經生產驗證，該工藝方案合理、有效，按此鑄造工藝生產的機體各項技術指標均滿足驗收條件的要求。

R12V280機體；鑄造工藝設計；PRO CAST軟件；模擬計算

0　前言

R12V280機體是HXN5B內燃機車用柴油機上的關鍵零部件，其具有內腔結構復雜、壁厚相差大和技術要求高等特點。鑄件主要外形尺寸為3 200 ×1 480×1 328 （mm），鑄件質量約7.5 t。

機體試制時，為滿足進度要求和盡力降低試制成本，采用R16V280機體木質模樣、芯盒改制模樣、芯盒，仍用劈箱造型、底注工藝進行生產。但木質模樣、芯盒經長期使用后易產生變形，尺寸精度更低，鑄件的表面質量變差，清理的工作量很大，難以滿足批量生產的要求。為確保產品的質量和適應現場生產的需要，制作金屬模樣、芯盒用于批量生產，鑄造工藝也進行了相應的改進。但按照傳統的工藝驗證方法，每一次的驗證周期，從機體的造型、制芯到鑄件清理完畢及至機加工完成，至少需要三個月時間，顯然無法滿足后續的生產要求。

為了確保產品質量，避免試制過程中出現被動局面，充分利用計算機的先進技術，結合PROCAST軟件對R12V280機體鑄造過程的模擬情況，進行鑄造工藝設計，提高工藝的可靠性。

1　鑄造工藝方案的確定

根據產品技術條件要求和生產現場實際情況，確定采用呋喃樹脂自硬砂組芯造型工藝進行鑄造。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。

澆注系統設計為開放式，采用兩側面雙層階梯澆注系統，下層內澆道從油泵推桿孔平面引入，上層內澆道則位于水平螺栓孔略上方，利用相同的直澆道，通過澆注系統各組元截面積的控制來實現分層注鐵。

至于冒口的設計，根據主軸承座部位的補縮需要，在其上方設置了暗冒口，而油底殼安裝面則設置了16只圓的明冒口，以利排氣、排渣。

2　鑄造過程的模擬

2.1機體實體建模

利用三維幾何造型工具UG軟件將R12V280機體鑄件及其澆冒系統進行實體造型，如圖1所示。

圖1　R12V280機體鑄件及其澆冒系統實體圖

2.2網格處理

由于機體體積龐大且基本對稱（鑄件和澆冒系統均基本對稱），為了減少計算時間，切取機體的一半進行分析。將切取的R12V280機體實體圖導入GeoMesh軟件，先用GeoMesh對圖形進行網格預處理，以減少網格的錯誤數量，從而減少網格的修復時間；然后再導入PROCAST軟件用MeshCAST進行表面網格的劃分，并對錯誤網格進行修補；最后進行體網格的劃分。網格劃分時，需選取合適的參數，既要保證足夠的精度，又不能使網格數量太多，以節省計算時間，便于計算過程調試［1］。對于機體鑄型系統，經過多次調整，最后確定較為合適的網格數為670 523。

2.3初始條件的確定

在進行模擬計算時，初始數據和邊界條件特別重要。PROCAST軟件的數據庫中雖然提供了許多材料數據，但并不能完全與現場相符。根據現場生產情況和長期的鑄造工藝工作經驗，并結合軟件的數據庫，確定了計算用的初始數據和邊界條件。

（1）材料的分配

機體本體和澆注系統的材料為QT500-7，其密度設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　機體材料密度隨溫度的變化曲線

（2）界面傳熱條件的確定

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

（3）添加邊界條件

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

圖3　鑄件與砂型間傳熱系數曲線

（4）定義模型的初始溫度

鑄件初始溫度設為1 340 ℃，外冷鐵和砂型的初始溫度設為常溫25 ℃。

（5）計算參數的確定

由于機體比較復雜、尺寸又較大，計算時間估計比較長，因此將計算步數設為20 000，計算結果保存頻率定為20，流動模式系數定為3。

3　模擬計算結果及分析

3.1流動場

圖4為流動場計算結果示意圖。可以看出，從內澆道進鐵液開始直至冒口澆滿，整個充型過程均處于平穩狀態，無紊流、卷氣等不良現象。

圖4　機體流動場計算結果

從圖4中還可看出，當第一層內澆道鐵液充型至主軸承座上方時，第二層內澆道開始進鐵液，成功實現了相同直澆道階梯澆注系統的分層注鐵，這符合工藝設計意想，說明澆注系統各組元的設計是合理的。

3.2溫度場及收縮缺陷的預測

球墨鑄鐵縮孔、縮松缺陷的預測較鑄鋼件困難，因為球墨鑄鐵不僅有液態和凝固體收縮，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軟件在進行球墨鑄鐵的縮孔、縮松缺陷的預測時，采用動態收縮膨脹疊加方法，考慮了液態和凝固體收縮，以及石墨化體積膨脹和鑄型剛度的綜合效果，相對較為準確［2］。

圖5為機體溫度場計算結果示意圖，從圖中可看出，機體缸頭螺栓孔、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。從結構上和澆注位置上分析，機體缸頭螺栓孔和水平螺栓孔等鉆孔部位因功能設計需要，被設計為搭子結構，其通過立板或連接壁與其它部位進行連接，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；主軸承座部位整個部位的壁厚都很大；而對于油底殼安裝面部位，不僅壁厚較大，且位于機體澆注位置的最上方，還存在冒口的接觸效應。

機體鑄件澆注后，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，這些部位凝固時間均很長，最后導致凝固時期體收縮所產生的體積虧損也就很大［3］，易引起縮孔、縮松缺陷的產生。

同時由于較長的凝固時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生。

圖5　機體溫度場計算結果

4　設置外冷鐵后模擬驗證及實施

4.1外冷鐵的設置

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

圖6　機體外冷鐵的設置

4.2模擬驗證

外冷鐵方案設置好以后，再按上述的初始條件重新進行模擬計算，結果表明，機體缸頭螺栓孔、主軸承座和水平螺栓孔以及油底殼安裝面等部位產生縮孔、縮松缺陷的可能性被消除，如圖7所示。

圖7　設置外冷鐵后機體溫度場計算結果

4.3生產實施

在實際生產中，按PROCAST軟件模擬驗證過的鑄造工藝進行機體金屬模工藝試驗以及后續的機體批量生產，缸頭螺栓孔、主軸承座等部位設置了外冷鐵，加快了這些部位的凝固、冷卻速度，使得內部組織致密。

至目前為止，采用該工藝已生產機體八十幾臺，其中已有五十幾臺加工完成，缸頭螺栓孔、主軸承座等部位未發現有縮孔、縮松缺陷存在，機體的各項技術指標均滿足驗收條件的要求。

5　結論

（1）采用PROCAST軟件對R12V280機體鑄造進行凝固模擬分析，流動場的分析結果與工藝設計意想一致，也與機體的實際澆注情況基本相符；溫度場及收縮缺陷預測的計算結果與機體的加工情況基本相符。

（2）模擬結果認為在不設置外冷鐵的情況下，機體缸頭螺栓孔、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）從模擬結果來看，機體缸頭螺栓孔和主軸承座等部位設置外冷鐵后，產生縮孔、縮松缺陷的可能性被消除。按PROCAST軟件模擬驗證過的鑄造工藝進行機體金屬模工藝試驗和后續的機體批量生產，機體經加工后缸頭螺栓孔、主軸承座等部位未發現有縮孔、縮松缺陷存在，機體的各項技術指標均滿足驗收條件的要求。

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

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

［3］ 陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對策手冊［M］，北京：機械工業出版社，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化［J］.中國鑄造裝備與技術，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值模擬研究［J］.中國鑄造裝備與技術，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：1410-670

胡華林（1969—），男，教授級高工，現從事鑄造工藝工作.