計算機模擬在艦船柴油機機體鑄造工藝設計中的應用

高 博，陳曉龍，田逢甲，郭 敏，趙悅光

(1.海軍駐興平地區軍事代表室,陜西興平713105；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平713105)

柴油機是船舶的重要組成部分之一，其性能直接影響著船舶的行駛。機體作為柴油機主體部件，其性能更是保證柴油機正常工作的前提，對鑄件質量要求很高。目前，鑄造模擬已經廣泛應用于鑄造工藝設計，可以提前預測鑄造缺陷，并為鑄造工藝優化改進提供理論支持，保障鑄件研制生產一次成功，縮短開發周期，提高鑄件生產質量。

1 研究內容

本文應用三維數字化鑄造工藝設計方法對某型柴油機機體進行工藝設計及生產試制驗證。二維鑄造工藝設計方法目前是鑄造工藝設計的主要手段，由于設計過程不直觀，工藝優化和驗證不直接，導致新產品試驗驗證周期長，驗證不充分，進而導致鑄件質量的穩定性、一致性差。三維鑄造軟件建立了以數字化設計、仿真技術為手段和以三維模型庫為基礎的工藝設計體系，在三維鑄件模型基礎上直接進行鑄造工藝設計，進行分型面設置、型芯分割、澆注系統、冷鐵、冒口等工藝措施布置，在三維環境下直接生成外模和型芯，演示整個型芯組裝和鑄型裝配過程，優化下芯順序，進行干涉檢查。同時，導入鑄造模擬軟件進行鑄造工藝的溫度場、流場、凝固過程等數值模擬，為工藝優化提供可視化驗證，提高鑄造工藝設計效率和準確性。

圖1 機體簡圖

2 機體結構簡介

該型柴油機機體材料為QT400-18A，共有16個缸，分A、B兩列，按V形排列，夾角52°，缸孔V形夾角之間是水腔和主油道，機體自由端為齒輪箱結構，主要壁厚為22～32mm；機體總長4251mm、寬1805mm、高1390mm。該機體總體壁厚較均勻，但個別部位較厚大，形狀結構較復雜，機體重約11000kg。機體簡圖見圖1。主要技術要求如下：

（2）離子輻射檢查：機體的關鍵區域都必須進行離子輻射檢查。檢驗按EN12681-2003的規定執行，對主軸承螺栓、缸蓋螺栓、橫向螺栓搭子部位，只允許存在1級缺陷。其余部位允許存在1～2級缺陷，但需記錄2級缺陷的具體信息。

3 鑄造工藝難點分析

從機身的技術要求、結構特點來看，鑄造生產主要難點在于，該型機體輪廓尺寸大，結構復雜，個別部位壁厚差異大，在曲軸、凸輪軸、缸孔面不允許存在鑄造缺陷，澆注過程既要保證鐵水平穩充型，又要避免充型時間過長，避免鐵水溫度過低引起的冷隔、冷豆等鑄造缺陷，以及球化孕育衰退導致機械性能不合格，因此，對鑄造工藝設計比較嚴格，尤其是澆注系統的設計，內澆道的引入位置非常重要。

機體要求在曲軸軸承及加強筋處、貫穿拉緊螺栓區域、凸輪軸軸承、齒輪安裝支撐區域、缸套上下支撐圈、機身底腳板等部位進行超聲波檢測及射線探傷檢測，機體內部質量要求高。

4 三維鑄造工藝設計

4.1 鑄造工藝方案制定

根據多年來機體的實際生產經驗，結合該型機體的結構特點，以及鑄造手冊推薦澆注位置選擇時重要面向下的原則，采用氣缸面朝下、底腳板朝上的方案，這種方案，同時有利于內腔坭芯的分割與定位，鑄造工藝方案簡圖見圖2。

4.2 三維鑄造工藝設計

應用三維設計軟件，首先進行機體建模，繪制鑄造三維圖，根據初步確定的鑄造工藝方案進行三維型芯設計，把復雜型芯整合集成，優化坭芯分割方案，在缸孔坭芯設計時，將兩側坭芯合成整體，便于控制缸孔尺寸精度，在外模上設計快速定位芯頭，以提高大型機身配箱精度及效率。同時，將設計好的型芯進行模擬裝配，檢查坭芯裝配干涉情況，優化坭芯裝配順序，提高過程保障。坭芯分割及裝配模擬示意圖見圖3。

圖2 鑄造工藝方案簡圖

圖3 坭芯分割及裝配模擬示意圖

5 三維鑄造工藝仿真模擬

5.1 三維幾何模型

應用三維制圖軟件按照初步確定的工藝要求對澆注系統、冒口、冷鐵等進行三維仿真建模，同時根據工藝要求設計虛擬砂型，圖4為模擬的幾何模型。

5.2 模擬流程

三維模型組裝及檢查→幾何檢查裝配修補→劃分面網格→面網格檢查修補→劃分體網格→體網格檢查→參數負值（材料熱力學、力學參數的計算、界面熱交換、邊界條件設置、模擬計算參數等）→模擬計算。

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5.3 模擬過程

5.3.1 網格長度賦值

結合機體結構及各部位不同壁厚，對模擬部件分別進行網格長度賦值，為保證模擬精度，網格賦值要保證模擬部位能夠實現最少3層網格劃分，模型網格長度有特別賦值的部分見圖5，其余網格長度均賦值15mm。

圖4 模擬建模示意圖

圖5 模擬網格劃分

5.3.2 劃分網格

根據已完成的網格長度賦值分別進行面網格劃分和體網格劃分，網格劃分完成進行網格檢查，應用軟件進行自動、手動網格修復，網格修復后再次檢查，本次模擬共劃分面網格數46.9萬，體網格數1028萬。

5.3.3 模擬參數賦值

結合鑄造工藝方案，對模擬工藝進行參數賦值，主要包括：充型時間、澆注溫度、化學成分、邊界界面交換系數、熱傳導等，部分參數賦值過程見圖6。

5.3.4 仿真模擬計算

模擬參數賦值完成后，進入仿真模擬計算過程，根據計算過程的設置可以對模擬計算過程進行實時跟進查看，模擬計算初始設置見圖7。

圖6 參數賦值示意圖

圖7 模擬賦值示意圖

5.4 模擬分析

結合該機體的結構及性能要求，對需要關注和分析的要素進行分析，包括充型流場、溫度場、凝固過程以及機械性能。

5.4.1 充型流場

根據確定的鑄造工藝方案，采用底注開放式澆注系統，澆注較平穩，通過仿真模擬可看出鐵水充型過程平穩，無紊流，鐵水進入型腔的流速均小于1m/s,與工藝要求相符，充型流場模擬見圖8。

5.4.2 溫度場模擬

經模擬計算獲得液相線1206.7℃，固相線1164.1℃，通過溫度場模擬可看出，該機體澆注完畢時刻的溫度場特點為：熱節處溫度較高，靠近內澆口附近溫度較高，機體缸孔頂部溫度相對最低，機體大部分溫度在1290～1320℃，整個機體在充型結束時溫度場分布較為均勻。機體充型結束后的溫度場模擬見圖9。

5.4.3 凝固及縮松預測模擬

通過模擬結果可以看出在凝固過程中厚大熱節部位凝固較晚，存在縮松或組織不致密的可能，對工藝進行優化，在厚大熱節部位合理放置冷鐵后，機體凝固過程趨于均勻，基本實現同時凝固。圖10為工藝優化前后的凝固過程對比。

5.4.4 機械性能模擬預測

通過用確定的工藝方案進行機械性能模擬，對機體不同部位進行模擬解剖，可以看出，機體的抗拉強度＞420MPa，屈服強度＞296MPa，延伸率＞17%，模擬結果符合技術文件要求，模擬示意圖見圖11。

圖8 流場模擬示意圖

圖9 機體充型結束后的溫度場分布

6 效果驗證

6.1 性能

鑄件澆注后，對附鑄試樣進行理化檢測，機械性能、金相組織檢驗結果合格，其中附鑄試樣抗拉強度422MPa，屈服強度313MPa，延伸率25.5%，各項性能指標均滿足技術要求。

圖10 熱節部位工藝優化前后的模擬對比

6.2 表面質量及內部質量檢查

根據技術文件，對機體進行著色探傷、超聲波檢測、離子輻射檢測，檢測結果均滿足技術文件要求。圖12為機體毛坯及加工后的照片。

圖11 機械性能模擬示意圖

圖12 機體毛坯及加工后照片

7 結論

（1）計算機模擬能夠實現對機體鑄造工藝進行預先模擬，對鑄造工藝優化改進提供理論支持，為今后鑄造工藝設計提供了有力的理論支撐。

（2）機體按此工藝模擬計算后，結果為澆注過程平穩無紊流，工藝合理設置冷鐵后，各熱節凝固時間均衡、縮松傾向小，機械性能符合技術條件要求。

（3）通過投產加工驗證，實際結果與三維模擬結果分析基本一致，機體質量滿足技術文件要求。