缸体铸造工艺设计论文提纲

论文题目：基于数值模拟的发动机缸体浇注系统优化设计

摘要：随着可变涡轮增压技术和高压共轨直喷技术的发展,用户对柴油发动机升功率、结构紧凑性、铸件形状复杂程度和热负荷提出越来越高的要求,对柴油机关键材料及制造技术也提出更高的要求。传统的HT250材料已经不能满足柴油机机体的使用需求,迫切需要研发更高性能、更稳定可靠的柴油机机体材料。同时,随着高端低排放柴油机的发展,柴油机机体的结构越来越复杂,内部型腔尺寸精度显著提高,传统的HT250铸造工艺已不能满足新型高性能机体材料的铸造成型需求,迫切开发适合新材料的铸造工艺。本文基于Cu-Cr-Mo-Sn和Cu-Cr-Mo-Ni两种合金体系,采用四因素三水平正交实验的方法,研究不同合金元素组合对合金灰铸铁的显微组织、拉伸性能和硬度的影响,采用电子显微分析手段分析合金的断裂方式、裂纹源以及断裂机理。在此基础上,优化合金的成分和组成,研制新型高性能合金灰铸铁材料。同时,根据新型合金灰铸铁材料的凝固收缩特性,采用数字模拟加验证的方法设计D12发动机缸体的铸造工艺并优化。试验结果表明:在灰铸铁中加入合金元素Cu、Cr、Mo、Sn或者Ni,合金中珠光体的含量增加,石墨分布更均匀、细小。在Cu-Cr-Mo-Sn/Ni两种体系中,Cu-Cr-Mo-Ni体系表现出更好的综合性能,对合金灰铸铁抗拉强度和延伸率的影响顺序为Mo＞Cr＞Ni＞Cu。根据正交试验结果优化出合金新型高性能缸体材料,其化学组成为 C-3.40%、S-0.08%、Si-1.90%、Mn-0.80%、Cu-0.8%、Cr-0.3%、Mo-0.2%、Ni-0.6%,其铸造拉伸强度达到315MPa,延伸率为0.87%,硬度为228（HB）。其拉伸性能和铸造工艺性能满足新型柴油机的需求。根据新型缸体材料,在传统HT250铸造工艺的基础上,设计D12发动机缸体的三种铸造工艺方案,应用AnyCasting模拟软件对三种方案进行铸造工艺模拟,模拟合金的充型过程、凝固过程、铸造缺陷的形成、分布与控制。结果发现:传统HT250铸造工艺（方案一）的铸造缺陷多,不能满足要求,方案二的模拟结果与方案一相比虽略有好转,但仍有较大面积的可能会出现缺陷。在方案二的基础上增加竖浇道和延长横浇道优化,形成方案三,模拟时未发现明显的铸造缺陷,基本达到试生产的要求。根据模拟优化的铸造工艺设计并加工出D12缸体的模具,并经过300件的小批试生产和加工验证后,发现新方案制备的D12缸体的废品率已经由传统方案的53%左右降至4%左右,满足生产的要求。

关键词：发动机缸体;新型缸体材料;数值模拟;浇注系统;优化设计

学科专业：工业工程（专业学位）

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 数值模拟技术在铸造过程中的发展及应用

1.2.1 国外发展概况

1.2.2 国内发展概况

1.2.3 铸造模拟的发展前景

1.3 浇注系统设计理论

1.3.1 传统理论

1.3.2 浇注位置的选择

1.4 课题来源及意义

1.5 课题研究内容及关键问题

1.5.1 研究内容

1.5.2 课题所要解决的问题及所要达到的效果

1.5.3 课题研究技术路线

第2章 铸造过程数值模拟理论与缺陷预测理论

2.1 引言

2.2 AnyCasting充型过程数值模拟技术

2.2.1 铸造充型过程数值模拟的研究意义

2.2.2 铸造充型过程的数学模型

2.2.3 充型过程紊流的处理

2.3 AnyCasting凝固过程数值模拟技术

2.4 凝固过程缩孔缩松预测

2.4.1 缩孔缩松产生机理

2.4.2 缩孔缩松预测判据

2.5 本章小结

第3章 新材料的研制

3.1 引言

3.2 实验前准备

3.2.1 炉料配料比及实验原料

3.2.2 造型工艺

3.2.3 熔炼及浇注

3.2.4 试样加工

3.2.5 其他试样的加工

3.2.6 硬度测试方法

3.2.7 抗拉强度测试方法

3.2.8 组织与成分分析方法

3.2.9 SEM断口分析方法和设备

3.3 CuCrMoSn合金化方案

3.3.1 合金元素配比一

3.3.2 室温力学性能正交试验结果分析

3.3.3 金相分析

3.3.4 拉伸断口分析

3.4 CuCrMoNi合金化方案

3.4.1 合金元素配比二

3.4.2 室温力学性能正交试验结果分析

3.4.3 金相分析

3.4.4 拉伸断口分析

3.5 本章小结

第4章 发动机缸体铸造模拟条件设置及结果分析

4.1 模拟条件设置

4.1.1 发动机缸体的几何特征

4.1.2 发动机缸体数字化建模

4.1.3 实体的属性设置与模具设置

4.1.4 网格划分

4.1.5 运算条件设置

4.2 浇注系统计算及设计

4.2.1 浇注系统类型的选择

4.2.2 浇注位置的选择

4.2.3 阶梯式浇注系统的计算

4.2.4 确定浇口比及各组元截面积计算

4.2.5 出气孔设计

4.3 模拟及分析

4.3.1 对D12缸体借用D10缸体浇注系统的模拟分析

4.3.1.1 D10缸体浇注系统在D12缸体的应用

4.3.1.2 对方案一充型过程的模拟分析

4.3.1.3 凝固温度场的模拟分析

4.3.1.4 凝固时间的模拟分析

4.3.1.5 对方案一的缩孔缩松模拟分析

4.3.1.6 方案一的铸件加工分析

4.3.2 浇注系统增加内浇道后的优化方案模拟分析

4.3.2.1 D12缸体浇注系统设计方案二

4.3.2.2 模拟分析方案二的充型过程

4.3.2.3 模拟分析凝固温度场

4.3.2.4 模拟分析凝固时间

4.3.2.5 对方案二的缩孔缩松模拟分析

4.3.3 浇注系统增加竖浇道和延长横浇道的优化方案模拟分析

4.3.3.1 D12缸体浇注系统设计方案三

4.3.3.2 对方案三充型过程的模拟分析

4.3.3.3 模拟分析凝固温度场

4.3.3.4 模拟分析凝固时间

4.3.3.5 模拟分析方案三的缩孔缩松

4.3.4 对比分析D12缸体浇注系统三种设计方案的模拟结果

4.3.4.1 对比分析三种设计方案的凝固温度场的模拟结果

4.3.4.2 对比分析三种设计方案的凝固时间的模拟结果

4.3.4.3 对比分析三种设计方案的缩孔缩松的模拟结果

4.4 生产验证

4.4.1 原材料与设备

4.4.2 浇注参数

4.4.3 试制验证结果

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢