Q19缸體澆注系統設計及模擬優化研究

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）

發動機缸體是汽車動力系統的關鍵零部件，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動機的動力性能、油耗及壽命[1]。目前，發動機正朝著高增壓、高強度、高壽命的方向發展[2]。對于大型柴油機的發動機，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地觀察鑄件在充型過程和凝固過程中的實時狀態，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，以確保鐵水快速、平穩的充型，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，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在缸孔壁與曲軸腔壁，不容易被發現。采用立澆底注工藝時，鐵液平穩上升，水套芯、油道芯有受平穩上升的鐵液沖擊小的優點，氣孔、砂眼、夾渣等缺陷不容易出現[10]。結合Q19缸體的實際情況，故采用立澆底注式系統，且設計了兩套澆注系統方案，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充型，以層流狀態流動，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。兩種方案在熱節處由于沒有補縮渠道，因此都有可能出現縮孔縮松。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。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，且遠離澆道處的缸筒面附近出現縮孔縮松的幾率較大，這是值得注意的。發動機缸體的燃燒室面承受高溫高壓，其受力復雜，工作環境非常嚴苛，故必須保證其鑄造質量。從總體分布的缺陷來看，兩種方案出現缺陷的基本位置一致，均出現在最后凝固部位及熱節部位，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，方案一出現縮孔縮松的幾率比方案二小。

4 工藝模擬優化

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，實際生產中易出現縮孔縮松，因此，方案一的澆注系統設計較為合理。

圖10 冒口和冷鐵的設計

針對模擬過程中出現的缺陷，在工藝優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。為了便于冒口清理，冒口根部設計易割槽，具體的鑄造優化工藝如圖10所示。

通過對方案一的優化工藝進行縮孔縮松的模擬分析發現，工藝優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收縮的確起到了良好的補縮作用，缸筒面也沒有缺陷出現。此外，冷鐵的添加，加快了鑄件熱節部位的冷卻速度，調節了鑄件的凝固順序，遠離澆道的渦輪殼位置沒有缺陷出現，說明工藝優化過程中冒口和冷鐵的設置是合理的。

最后，對優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現，鑄件完全符合質量要求，證明了優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的工藝優化表明，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，且采用優化的鑄造工藝方案生產出了高品質的缸體鑄件。

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

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

[3] 黃勝操.發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.發動機缸體澆注系統的優化設計與數值模擬[D].合肥工業大學,2009.

[8] 劉偉.汽車發動機缸體鑄造工藝及材質的研究[D].合肥工業大學,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.發動機缸體2種立澆工藝的對比分析 [J].現代鑄鐵，2016,36(1)：54-58.