摘 要

发动机缸体作为发动机的核心部件，在整个汽车的零部件生产中属于技术要求高的零件，一直是发动机生产过程中的重点与难点。随着计算机技术的发展，铸造过程数值模拟技术在铸造领域已经进入工业化应用阶段，通过数值模拟软件对发动机缸体铸造过程进行仿真模拟，能够清晰明了地将整个铸造过程表现出来，借此可以优化产品设计，提高铸件质量以及缩短制造周期。

本文首先对发动机缸体铸件进行铸造工艺分析，决定采取一箱两件的砂型铸造方法。再根据浇注系统的设计方法，确定了浇注系统的类型，并通过设计计算确定浇注系统的详细设计方案。然后通过UG建立发动机缸体及其浇注系统的三维模型，同时对铸造时所需用到的砂芯也进行了建模。最后在铸造模拟软件AnyCasting中对发动机缸体铸造过程进行仿真模拟，并且通过改变浇注温度及浇注时间模拟不同浇注参数下的充型过程及凝固过程。完成模拟后，本文对五种浇注方案的充型、凝固过程进行对比分析，从模拟结果中看出方案一浇注温度1380℃、浇注时间20s较为优越，得到的铸件产生氧化夹渣、缩孔缩松等缺陷的可能性低，铸件质量高，对实际生产具有指导意义。

关键词：发动机缸体；数值模拟；浇注系统；铸造

Abstract

Cylinder block is the core components of engine. It is a high technical requirement part in the whole automobile parts, and it is always the most important and difficult part for producing the engine. With the development of computer technology, the numerical simulation technology of casting process has entered the stage of industrial application in the field of casting. Through the numerical simulation software, the cylinder block casting process can be simulated. Then the simulate results can represent the whole process of casting. We can optimize the product design, improve casting quality and shorten the manufacturing cycle.

In this paper, the casting process of the cylinder block is analyzed, and a sand casting method of one flask-two castings is determined. According to the design method of the running system, the type of the running system is determined, and the detailed design scheme of the running system is determined by design and calculation. Then, by UG to found the three-dimensional model of the cylinder block and its running system, and the sand core used in the casting process is also modeled. Finally, using the casting simulation software AnyCasting to simulate the whole casting process of the cylinder block; and the filling process and the solidification process under different casting parameters are simulated by changing the casting temperature and casting time. Through considering the mold filling and the solidification of the five cases which was get from the simulation results, we can find the first case is the best. When the pouring temperature is 1380℃ and the pouring time is 20s, it can reduce the possibility of shrinkage defects, promote the quality of the casting, guide actual production.

Key words: cylinder block；numerical simulation；running system；casting

目 录

第1章 绪论 1

1.1 发动机缸体铸造工艺技术概论 1

1.1.1 发动机缸体铸造方法 1

1.1.2 国内外发动机缸体铸造技术现状 1

1.2 数值模拟在铸造成型中的应用发展 2

1.2.1 铸造数值模拟技术国外发展概况 2

1.2.2 铸造数值模拟技术国内发展概况 3

1.2.3 铸造数值模拟技术实用化 3

1.3 课题工作的内容与目标 4

第2章 发动机缸体的铸造工艺设计 5

2.1 发动机缸体的结构与铸造工艺 5

2.2 浇注系统的组成与设计步骤 6

2.2.1 浇注系统的组成 6

2.2.2 浇注系统的设计步骤 6

2.3 浇注系统的设计方法 6

2.3.1 浇注系统类型的选择 6

2.3.2 内浇道的确定 7

2.3.2 浇注系统的尺寸确定 8

2.4 浇注系统设计方案的确定 9

2.5 砂芯的设计及建模 10

第3章 铸造过程数值模拟的理论基础 12

3.1 充型过程数值模拟理论基础 12

3.1.1 充型过程数值模拟方法 12

3.1.2 SOLA-VOF数学模型 12

3.1.3 连续性方程和N-S方程的离散 13

3.1.4 用SOLA法求解速度场和压力场 13

3.1.5 确定自由表面 14

3.1.6 紊流模型的求解 14

3.2 凝固过程数值模拟的理论基础 15

3.2.1 凝固过程的传热学基础 15

3.2.2 凝固过程温度场的数学模型 16

3.2.3 导热过程的定解条件 16

3.2.4 凝固过程缩孔、缩松的预测 16

第4章 发动机缸体铸造模拟与结果分析 17

4.1 仿真模拟软件AnyCasting的介绍 17

4.2 发动机缸体铸造模拟的前处理 17

4.2.1 实体设置以及网格划分 17

4.2.2 材料设置 18

4.2.3 初始条件、边界条件及重力条件的设置 19

4.2.4 浇口条件的设置 19

4.2.5 可选模块与传感器的设置 20

4.2.6 求解条件的设置 20

4.3 缸体铸造模拟结果与对比分析 21

4.3.1 浇注方案一的模拟分析 21

4.3.2 浇注时间对铸件质量的影响 24

4.3.3 浇注温度对铸件质量的影响 25

第5章 总结 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

我国汽车工业处于快速发展的阶段，2016年，我国汽车产销已经突破2800万辆，连续八年位居全世界第一，预计2020年将达到3000万辆，2025年将达到3500万辆左右。毫无疑问，汽车产业在较长的时期内对于国民经济发展的作用将越来越重要^[1]。由于环境污染与世界能源危机的问题日益严重，轻量化成为汽车必要的发展方向，这有利于车辆降低油耗并减少污染^[2]。发动机作为汽车最重要的大总成，减轻它的重量对汽车轻量化至关重要^[3]。而发动机缸体的质量对发动机的油耗、功率等性能有着关键性的作用，其铸造也是发动机生产中的重点与难点。

1.1 发动机缸体铸造工艺技术概论

发动机缸体是发动机中最重、最复杂、生产难度最大的铸件，其生产质量能够体现出铸造厂的工艺技术水平^[4]。由于现代汽车追求降低燃油消耗、减小单位功率质量、提高使用经济性，在保证发动机缸体强度与刚度的前提下，减少壁厚、降低质量成为了发动机缸体设计的目标。同时，缸体铸件对于表面粗糙度、尺寸精度、内在质量、材料性能、尺寸稳定性与材料均匀性等方面均有着较高的生产要求^[5]。比如追求材料轻量化，并且有足够的强度、刚度和致密性；铸件内外表面光洁；形状准确，尺寸精度高；有良好的加工性能等。

1.1.1 发动机缸体铸造方法

发动机缸体的铸造方法随着铝制缸体的增多扩展了许多，除了最传统的砂型铸造以外，许多特种铸造的方法也开始用于生产发动机缸体。例如，金属型铸造用来可以生产简单铝制缸体；压铸工艺更是已经广泛地应用于铝合金缸体的大批量生产，但由于发动机缸体铸件的复杂性，其在高熔点的材质生产中的应用很少；消失模铸造采用干砂造型，可以用来生产薄壁、无拔模斜度的复杂缸体。但对于铸铁发动机缸体来说，还是以砂型铸造为主^[6-10]。

1.1.2 国内外发动机缸体铸造技术现状

发动机缸体的材料要求重量轻、强度高，由于发动机功率的不断提高，对发动机材料的要求也变得越来越严格。在国外，发动机缸体材料的选择有灰铸铁、铝合金等，但随着环保理念的深入及发动机功率的提高，铝合金的使用越来越多。缸体造型多采用气冲造型线和静压造型线；在铸铁熔炼方面，常使用的熔炼设备是冲天炉和感应电炉双联熔炼，以获得较高的出炉温度以及具有稳定化学成分的铁液，从而获取稳定的力学性能及良好的金相组织；而在缸体制芯方面，大多采用壳芯或冷芯盒。

在国内，灰铸铁以其工艺性好、成本低、良好的抗热疲劳性能及尺寸稳定性的优势仍旧占据了半壁江山。为了获得良好的力学性能及防渗漏性能，在采用HT250作为发动机缸体材质时坚持高碳当量、低合金的原则；在铸铁熔炼方面，通常采用感应电炉双联熔炼技术以获得高质量的持续稳定的铁液，并采用二次孕育的方式进行铸件生产；在制芯方面，多采用冷芯盒制芯，具有高强度、低膨胀以及高溃散性的优点，且其工艺还具有效率高、能耗低、周期短以及劳动条件好等优势，发展速度较快^[11-13]。

1.2 数值模拟在铸造成型中的应用发展

在铸造过程中进行模拟已经有了几十年的历史，但是一直到20世纪80年代，才实现计算机硬件、模拟软件和人力资源的完美结合，以计算机为基础的模拟在工业上开始普遍应用。现在，计算机模拟已经进入工业化应用阶段，成为铸造过程最有发展前景的模拟预测工具，发展为铸造过程必不可少的环节。发动机缸体的铸造一直是铸造行业的一个重点与难点，通过数值模拟软件对发动机缸体铸造过程进行仿真模拟，能够清晰地表现出整个铸造过程，对于实际生产有很大的借鉴指导意义。从美国铸造联合会1996年的一项调查报告可以看出，采用计算机模拟技术能够缩短产品试制周期40%，提高材料利用率25%以及降低生产成本30%，效益十分显著^[14-15]。

1.2.1 铸造数值模拟技术国外发展概况

数值模拟技术对铸造过程的仿真主要是充型过程与凝固过程的数值模拟。其中凝固过程的数值模拟应用较早，20世纪60年代便开始了。1962年，首次将丹麦的Forsund和Dusinberre等人提出的有限差分法运用于凝固过程的传热计算，在采用电子计算机开始的铸造凝固过程的数值模拟中取得了显著的效果。而充型过程的数值模拟直到20世纪80年代初计算流体力学的发展应用才有了足够的发展。1988年，日本东北大学的安斋浩一等人采用三维SMANYCASTING方法计算了压铸件的充型过程，并与水力模拟实验对比，验证了充型过程数值模拟结果。在1993年的第六届铸造、焊接和凝固过程模拟会议上，自我调整压力迭代法被提出可以解决SOLA算法中压力迭代不易收敛；考虑湍流在充型模拟中的影响并模拟了三维充型凝固过程。在两年后的第七届会议中，英国伯明翰大学的B.Sirrell等人宣布了标准实验结果，当时大部分软件模拟出的铸件凝固过程及充型过程与实验结果大致接近，可以预测缺陷形成，铸件温度场变化趋势及最终凝固的区域预测也较为准确。