Q19缸體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化研究

謝正茂，閆順祥，李小偉，黃 淵

（1.重慶機(jī)電控股集團(tuán)鑄造有限公司，重慶 400900；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065）

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，充當(dāng)著為汽車(chē)提供動(dòng)力的作用，其尺寸大、形狀復(fù)雜、性能要求高，缸體的質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、油耗及壽命[1]。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著高增壓、高強(qiáng)度、高壽命的方向發(fā)展[2]。對(duì)于大型柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其性能的需要仍然采用鑄鐵材質(zhì)的缸體[3,4]。為滿足使用要求，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的力學(xué)性能、外觀完整性及尺寸精度方面均受到嚴(yán)格控制，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的制造提出了較高的要求。

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)地觀察鑄件在充型過(guò)程和凝固過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)，可在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的潛在缺陷，為鑄件的實(shí)際生產(chǎn)提供可行性方案，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，因而在鑄件的工藝制定過(guò)程中應(yīng)用十分廣泛[5～7]。

1 缸體的結(jié)構(gòu)分析

研制的缸體為Q19缸體，其模型見(jiàn)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(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)要求，鑄件砂芯和外模采用三乙胺冷芯盒制作，在24小時(shí)后其抗拉強(qiáng)度可達(dá)2.0MPa以上，且發(fā)氣量小。整個(gè)鑄型由多個(gè)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(gè)制芯過(guò)程采用機(jī)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(jù)鑄造工藝?yán)碚摷拌T件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于缸體類(lèi)薄壁復(fù)雜鑄件，必須設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)大多數(shù)鑄造廠家在生產(chǎn)大型缸體鑄件時(shí)，采用立澆底注或者臥澆中注工藝[1,9]。臥澆中注易導(dǎo)致鐵液充型不平穩(wěn)，水套芯、油道芯在澆注過(guò)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(shí)，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(diǎn)，氣孔、砂眼、夾渣等缺陷不容易出現(xiàn)[10]。結(jié)合Q19缸體的實(shí)際情況，故采用立澆底注式系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)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(shù)的設(shè)定

采用MAGMA軟件對(duì)鑄件進(jìn)行工藝模擬分析，兩種工藝模擬分析中相關(guān)的重要參數(shù)如表1所示。

圖2 澆注系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

表1 工藝模擬參數(shù)

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(shí)，方案一的充型時(shí)間為5.4s，方案二的充型時(shí)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(jìn)入鑄件時(shí)已經(jīng)平穩(wěn)充型；對(duì)于方案二，鐵水先從遠(yuǎn)端進(jìn)入鑄件，造成一定的擾動(dòng)，但速度不大，產(chǎn)生卷入性氣孔的可能性不大。當(dāng)充型量達(dá)到24%時(shí)，兩種方案都已經(jīng)平穩(wěn)充型，以層流狀態(tài)流動(dòng)，鑄件內(nèi)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(chǎng)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(nèi)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(shí)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(cè)，溫度偏低，溫度梯度大，這將在凝固過(guò)程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而產(chǎn)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(dāng)殘余液相分別約為16%和4%時(shí)，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(kāi)始，厚大部位和澆道后凝固。兩種方案在熱節(jié)處由于沒(méi)有補(bǔ)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(dá)到15.96%時(shí)，凝固時(shí)間為698s；殘余液相為3.97%時(shí)，凝固時(shí)間為994s。方案二的殘余液相達(dá)到15.95%時(shí)，凝固時(shí)間為782s；殘余液相為3.99%時(shí)，凝固時(shí)間為1145s。因此，方案一的凝固速度相對(duì)較快。由于冷卻速度快在一定程度上能提高過(guò)冷度，從而提高形核能力，增加共晶團(tuán)數(shù)量，因此可細(xì)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—?dú)堄嗔?5.96%

圖8 殘余液相模擬—?dú)堄嗔?.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。可以看出，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(yuǎn)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(dòng)機(jī)缸體的燃燒室面承受高溫高壓，其受力復(fù)雜，工作環(huán)境非常嚴(yán)苛，故必須保證其鑄造質(zhì)量。從總體分布的缺陷來(lái)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(bǔ)縮通道。但是，從整體缺陷產(chǎn)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(jiàn)，在充型時(shí)方案二的直澆道遠(yuǎn)端鐵水先進(jìn)入鑄件，有一定的飛濺和紊流傾向，且方案二的溫度場(chǎng)分布不均勻，實(shí)際生產(chǎn)中易出現(xiàn)縮孔縮松，因此，方案一的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理。

圖10 冒口和冷鐵的設(shè)計(jì)

針對(duì)模擬過(guò)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(shè)置冷鐵，在缸筒面上增加冒口，且使渦輪殼遠(yuǎn)離直澆道，以此來(lái)預(yù)防縮孔縮松的出現(xiàn)。為了便于冒口清理，冒口根部設(shè)計(jì)易割槽，具體的鑄造優(yōu)化工藝如圖10所示。

通過(guò)對(duì)方案一的優(yōu)化工藝進(jìn)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(chǎn)生縮孔縮松缺陷。同時(shí)，冒口的存在對(duì)缸體中金屬液的液態(tài)收縮的確起到了良好的補(bǔ)縮作用，缸筒面也沒(méi)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(diào)節(jié)了鑄件的凝固順序，遠(yuǎn)離澆道的渦輪殼位置沒(méi)有缺陷出現(xiàn)，說(shuō)明工藝優(yōu)化過(guò)程中冒口和冷鐵的設(shè)置是合理的。

最后，對(duì)優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行了鑄件的實(shí)際澆注，鑄件的實(shí)物圖見(jiàn)圖11。通過(guò)對(duì)鑄件進(jìn)行測(cè)漏和磁粉探傷等分析檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，鑄件完全符合質(zhì)量要求，證明了優(yōu)化工藝方案的可行性和正確性。

5 結(jié)論

（1）對(duì)鑄件初步設(shè)計(jì)的兩套澆注系統(tǒng)方案采用MAGMA軟件對(duì)其充型過(guò)程中的充型速度、溫度分布、殘余液相和縮松縮松等進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，立澆底注式的法蘭進(jìn)水比軸瓦進(jìn)水效果更好。

（2）對(duì)底法蘭進(jìn)水方案進(jìn)行澆注系統(tǒng)的工藝優(yōu)化表明，合理設(shè)置冒口和冷鐵能改變鑄件冷卻過(guò)程中的溫度場(chǎng)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(chǎn)出了高品質(zhì)的缸體鑄件。

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