缸体铸造工艺设计论文

摘要：在灰铸铁发动机缸体铸造的过程中，存在着较为复杂的步骤，对工艺的要求也较高，其中在铸件的内外部制造中，需要芯砂的支撑才能够完成水套芯的制作，因此在这一过程当中，出现残次品的几率较大，因而必须严格把控发动机缸体的制造过程。下面是小编为大家整理的《缸体铸造工艺设计论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

缸体铸造工艺设计论文 篇1：

汽车发动机缸体铸造技术分析

摘要：在当今，我国在汽车发动机缸体铸造方面的发展十分迅速，且已经获得了较好的成果，可以让目前的行业需求得以良好满足。在具体的铸造过程中，因缸体形状及其特征影响，并不能够通过常规的方式来进行清理，而是需要借助于先进的机械手来清理，以此来确保缸体的清理效果。

关键词：汽车发动机;缸体;铸造技术

前言

在汽车的具体应用过程中，发动机是最为关键的一个组成部分，只有确保发动机的设计及其制造质量，才可以有效确保汽车的应用效果。而在汽车发动机中，缸体则是一个关键部分，其铸造质量与精度将会对整体发动机的运行产生直接影响。但是在传统的汽车发动机缸体铸造中，因原材料和技术方面的限制，使其铸造加工精度难以得到有效保障。基于此，为了让汽车发动机达到良好的应用效果，相关企业和技术人员就需要对其缸体铸造技术加以深入研究，并将先进的材料、技术与设备等合理应用其中，通过铸造技术的提升来实现铸造质量的提升。这样才可以充分满足汽车发动机缸体的实际制造及其应用需求，让汽车发动机制造质量、整体汽车制造质量都得以显著提升。这对于汽车生产制造技术的提升、汽车行业在当今时代中的良好发展、以及交通运输质量与安全的良好保障都将有着十分深远的意义。

1汽车发动机缸体铸造实例分析

为有效确保汽车发动机缸体的铸造效果，本次特以宝马汽车中国厂的某款发动机缸体铸造为例，对其铸造工艺技术应用进行分析，包括缸体尺寸要求分析、顶面精加工工艺分析以及缸孔精加工工艺分析。以下是具体的铸造工艺应用情况：

1.1缸体尺寸要求

本次所研究的是宝马汽车某款发动机缸体产品的铸造技术，该发动机缸体的主要组成部分包括缸体的顶面、缸孔以及曲轴孔等。

1.2顶面精加工工艺

对于汽车发动机缸体铸造而言，顶面精加工是一项关键内容，只有做好顶面精加工工艺的控制，才可以有效确保其加工质量，满足其实际应用需求。在对缸体顶面进行铸造的过程中，其精加工工艺包括以下几点：第一，按图纸进行缸体装夹定位设计，因为图面尺寸是底面及其两个定位销孔，且该基准已经在之前的铸造中形成，所以在具体的顶面加工中，便可避免由于基准转换所导致的精度误差。第二，因为缸体具有较大的空间尺寸，如果加工中装夹不紧，便会导致缸体出现细微晃动，进而对其加工精度造成不良影响，因此需将若干个自锁形式的装夹点以及辅助支撑点设置在夹具上，让缸体装夹保持在均匀受力状态，以此来确保缸体铸造的平整度。第三，铸造中，需要对加工中心做好气检，以此来确保加工稳定性。第四，在对缸体表面以及对精密孔进行加工的过程中，应通过立方氮化硼刀片和铰刀来进行加工，以此来确保加工精度与表面平整度，并实现生产效率的进一步提升。第五，需要对加工中心的切削参数加以合理控制，以此来实现走刀路线的进一步优化，让切削速度得以适当提升，确保缸体顶面在进出刀过程中的受力均匀，实现其前后端平面度的良好控制。第六，在完成了大盘铣削之后，需借助于CNC控制程序和大毛刷追加的方式围绕缸体顶面再刮一遍加工路线，将缸体上的毛刺剔除。第七，将车间温度控制在20±2℃，将相对湿度控制在40%-60%之间

1.3缸孔精加工工艺

在对汽车发动机缸体进行铸造的过程中，缸孔精加工同样至关重要，因此，相关企业以及技术人员也一定要对此项加工工艺加以高度重视，并使其得以科学应用。因为本次所研究的宝马汽车发动机缸体具有非常高的缸孔精度要求，所以在具体加工中，为实现其缸孔加工质量的良好保障，就需要在珩磨之前对缸孔直径公差加以合理控制，并在缸孔入珩之前将缸孔中心的精镗缸孔调整到预设尺寸。为确保缸孔表面质量，精镗刀选择的是内冷结构。具体加工中，需将产品图纸作为依据，做好缸孔直径精镗之后的加工余量预留，其预留余量在0.04-0.05mm之间，以便后续的珩磨处理，并根据具体要求做好粗糙度、圆柱度、垂直度等的控制，使其与设计图纸保持一致。本次主要通过立式珩磨机来进行加工，具体加工中，借助于膨胀机构的推动作用，珩磨头中的油石可实现径向进给，以此来逐步将工件加工到设计尺寸。将铰珩砂条镶嵌在珩磨头外周，粗珩可镶嵌6根，精珩可镶嵌9根，其长度可控制在缸孔长度的1/3-2/3之间。珩磨过程中，其往返速度保持在25-35m/min之间，换向过程中的加速度越大，形成的圆弧就具有越小的过渡区域，珩磨网纹也就有越高的质量。

2在铸造生产中最易出现的问题及应对措施

对于液压件來说，组织疏松是一个非常致命的缺陷。铸件一旦出现这样的缺陷，在之后的液压试验时就会因渗漏而报废。而且，由于这种缺陷往往是在机加工结束时才会发现，造成的损失会更大，因此更应该引起足够的重视。要避免这样的缺陷，关键要做好以下两个方面工作。（1）保证铁液成分的稳定性经过配料计算出炉料配比后，按照该配比进行备料，理论上应能够保证铁液化学成分要求。但实际生产中因为各种原因，铁液的化学成分会发生波动，即铁液化学成分时而合格，时而不合格。为防止铁液成分波动太大，造成铸件组织疏松，熔炼备料时应注意以下几点。1）新生铁应为同一炉次的，不同炉次的新生铁不得混用。2）回炉铁应依据成分分类使用。3）应限制特种钢的使用。4）炉料块度应适当，以防漏下，造成成分混乱。尤其是对硅铁、锰铁等合金的使用更应注意[5]。（2）及时进行炉前测试及炉前处理熔化出的金属液是否适合缸体铸件，浇注后铸件的各项性能指标能否满足要求，一般可通过炉前三角试片的白口数进行粗略的判断。三角试片的白口量应在3.5～5mm。白口超标时，加75%碎硅铁孕育处理。白口<3.5mm时，铸件容易产生疏松等铸造缺陷，不能浇注，可用于浇注其他壁厚稍小一些的铸件。

结束语

综上所述，在汽车发动机的设计与制造过程中，缸体铸造加工是一项关键内容。只有确保缸体的铸造加工质量，才可以充分发挥出汽车发动机的应用优势，满足汽车的安全稳定运行需求，并实现资源的进一步节约。因此，在对汽车发动机中的缸体进行铸造加工的过程中，相关企业与技术人员一定要对其铸造加工工艺技术做到足够重视，并对其进行深入研究。

参考文献：

[1]邱代.Ⅴ型系列柴油发动机缸体整铸工艺及共线生产技术研究[D].导师：杨屹，鲁晨光.四川大学，2021.

[2]郝琳.发动机机械加工新技术及应用[J].内燃机与配件，2021（10）：211-212

作者：张大为 孙明月

缸体铸造工艺设计论文 篇2：

灰铸铁发动机缸体常见铸造缺陷及解决措施

摘 要：在灰铸铁发动机缸体铸造的过程中，存在着较为复杂的步骤，对工艺的要求也较高，其中在铸件的内外部制造中，需要芯砂的支撑才能够完成水套芯的制作，因此在这一过程当中，出现残次品的几率较大，因而必须严格把控发动机缸体的制造过程。

关键词：灰铸铁;发动机缸体;缺陷;措施

引文：在灰铸铁发动机缸体的制造过程当中，将缸体分为干性和湿性两种，除此之外还要区别缸体管道是否含油。在缸体的制造过程当中，通常难度较大的是干性或带油的缸体结构，而湿性的缸体在打造的过程当中难度较小。这些工艺都对灰铸铁发动机缸体的制造具有重大的影响，因此必须加以讨论。本文灰铸铁发动机缸体常见铸造缺陷及解决措施展开论述，希望能为发动机缸体的铸造提供一些参考和建议。

一、各类气孔问题及处理措施

气孔问题是发动机铸造过程当中的常见问题，在灰铸铁发动机缸体的制造过程当中侵入性的气孔是较为严重的问题，如果在混凝土浇筑的过程当中出现了大量的芯砂气体并且未能够及时排出，就会导致型砂不透气，当浇筑时气温较低时，会产生系统充气，从而使得压力变小，张力减少，从而使气孔无法均匀排气，造成生产过程中的质量问题[1]。如果气孔出现在发动机缸体的内壁上或者位于加强筋的位置，将会由于排气不畅导致发动机缸体制造失败。

（一）最高点气孔

针对最高点气孔，由于上为的缸体搭手较高，可能会导致排气不顺畅，因此这对这种情况，可以采取安装排气针的方式来进行排气工作，一般情况下我们采取明排气针，暗排气针在实践当中使用频率较少。当工作人员使用排气针进行排气时，应当注意先将排气针清理干净，不能让周围分布散沙灰尘等物质，否则会将灰尘掉落到排气针顶部的型腔内，造成砂眼堆积。如果在排气过程中采用的是暗针，则应当控制好浇道的横截面积，务必使排气针的面积保持在浇道横截面积的两倍以上，并且应当尽可能的将排气针放置在接近砂顶的位置，以免让砂眼堆积在排气针的底部。

（二）缸筒内部的气孔

如果在发动机缸体的制造过程当中水套芯出现了大量的发气现象，那么就有可能会造成发动机的缸筒内部产生气孔。在带有水套的发动机缸体制作当中，需要使用水套芯将周围进行包裹，在制造的过程中会采用覆膜砂对缸体进行包裹。另外一方面，由于水套芯的密封性较好，在排气上存在一定的问题，特别是缸体在进行浇筑之后，铁液会充斥着缸体的内壁，这是由于水套膜的气流不通畅，就会导致在大气压强之下水套膜会出现侵入性的气孔[2]。另外一方面，水套膜的芯撑本身存在的质量缺陷也是导致气孔堆积在水套膜内壁无法排出的问题之一，重要的是这一类的问题只有在加工步骤完成之后才能被发现，具有较强的隐蔽性。

针对这一类的问题，最常见的解决步骤是对缸筒芯盒的温度进行事先设定，在事先设定好芯砂的温度时，还应当注意使其均匀受热，在温度材料的使用当中，应当注意使用传热性能较为优越的CU材料，保持水套芯内外的受热程度是均匀的。缸体内具体的加热温度应当结合本次制造采用的砂芯材质来确定，保证温度范围的合理性，不能片面追求生产速度而提高缸体的加热温度或时长，否则会导致内外部受热不均匀，表面结块硬化，但内部还存留着液体，导致内外压强差产生了大量的气泡无法及时排出，导致发动机的缸体内部产生气孔。另外一方面，应当加强水套芯的制造工艺，特别是在针对厚度较大的水套砂芯的使用时，必须要对排气的管道进行合理的设计，保证在生产加工过程当中形成的气孔能够及时排出，增加排气孔的数量，使得气体可以通过砂孔芯被成功的引向外部[3]。为了防止铁液将砂孔的芯头堵塞，工作人员应当将棉垫放在砂孔芯头的上部，疏通出气口，防止气泡堵塞;同时也可以在水套芯的外皮涂上一层特殊材料，增加材料内部和表面的密集度和质量，起到防止缸体堵塞的作用。在缸体的浇筑过程当中，应当注意对建筑原材料的选择，在进行浇筑工作之后，铁液将完全包裹水套芯，使得原本的排气口被封上，这个现象就必须要求覆膜砂的制造工艺达到一定的高度，才能够使得强度增大，发气量减少。另外，针对芯撑导致的气孔应当采取快速浇筑的方式，应当在当天完成浇筑工作，必须要将芯撑材料的表面清理干净，不能留下油脂、水渍等污迹，还应当保持SN电镀之前接缝处不存在焊渣等瑕疵。总之在气孔问题的处理上，应当做到分类处理，尽可能的减少在浇筑的过程当中产生的气泡等问题，以免铁液进入排气孔造成抢火现象，同时应当合理的设计浇筑体系，控制浇筑的时间和温度，及时调整压强差，避免产生气孔缺陷，控制水分含量，根据气温的不同调整砂型，保持砂土的干燥性，如果过于湿润会造成发气量过大，特别是在气温较高的季节，砂土較为干燥，如果不能够做好水分控制工作，将会降低砂型的强度，使砂体发生掉落等情况，造成缸体加工废品率上升。

二、各类砂眼缺陷及处理措施

砂眼也是缸体制造当中较为常见的问题，在缸体的制造过程当中，如果遇到砂芯的配合面增大而导致需要用排气针来进行排气工作时，就容易形成缸体的砂眼问题。

（一）针对砂芯自身存在缺陷

砂眼的形成原因是多样的，依然需要分门别类的加以解决。如果是由砂芯自身存在的原因导致的问题，则应当对芯头表面进行清理，特别是对含有油漆的涂料，应当彻底清除干净，附着在砂芯表面的砂质物应当及时擦拭干净。在对有残破部位的砂芯进行修复时应当注重尺寸的匹配，使得砂芯不能超出原先的尺寸，否则容易导致原有砂芯的损坏。在水套芯内应当使用防护措施，避免水套内落入砂块。

（二）砂型强度不匹配导致的砂眼

如果没有选择合适的砂型强度，就有可能会造成砂型强度的不匹配。当砂型强度过弱，将很容易导致内砂沉降，继而导致内道的水流将砂型冲蚀，造成砂眼现象。在解决由于砂型强度不匹配而导致的砂眼问题时，应当科学的选择自身发展的混砂机，使混砂机的工作产能能够带动砂型的强度，避免在工作过程当中出现了不均匀、不紧实等各种情况，此外，一定要在型砂投入使用之前进行合理的测试，确定强度的范围，保证型砂中含有足够的膨润土。

（三）由于散沙掉落形成的砂眼

如果经过观察发现排气孔四周有明显的散沙掉落，那么就说明该缸体在合箱之前没有将周围的砂土完全清理，造成合箱的过程中散砂堆积，形成砂眼。针对这种情况形成的砂眼，工作人员应当注意在合箱之前将孔顶周围的砂土清理干净，之后再进行封口，避免型腔内部集聚大量的砂土，经过表面的浇筑工作之后陆续形成砂眼。应当减少明排气针的使用频率，聚集在型腔内尚未排除的液体应当利用压扁冒口进行排气，或者直接将气体引入暗冒口，完成缸体排气工作。另外，如果是由于铸件结构的设计问题导致的砂眼，应当及时调整圆角的设计，改变起模斜度，减少铁液对型砂的冲蚀，减小砂眼产生的风险。

三、结语

综上所述，在灰铸铁发动机缸体的制造过程当中，应当采取多种方式，反思之前在制造当中存在的问题和缺陷，根据实际情况找出解决问题的方法和步骤，提高发动机缸体的制造质量。

参考文献：

[1]糜海飞.湿型砂铸造灰铸铁发动机缸体结疤缺陷的解决[J].金属加工（热加工），2020（04）：84-86.

[2]李鹏. 灰铸铁发动机缸体铸造工艺优化及其组织结构与性能[D].合肥工业大学，2016.

[3]刘增林.汽车发动机灰铸铁缸体立浇工艺气孔缺陷防止[J].铸造，2014，63（07）：721-725.

作者：陈革明

缸体铸造工艺设计论文 篇3：

基于MAGMA的发动机缸体铸造工艺优化

摘 要：发动机缸体作为汽车的核心部件之一，其质量优劣直接决定了汽油机的性能和工作寿命。为了提高发动机缸体性能，对NT型发动机缸体的铸造工艺进行设计，并采用MAGMA模拟软件对初步设计工艺进行模拟优化。在此过程中，通过MAGMA软件重点研究了缸体在铸造过程中的充型性、液相残余和缺陷分布，分析了充型不平稳以及缺陷产生的原因，随后以此作为重要依据，优化设计了铸件的浇冒口系统。经模拟验证，该优化工艺能够解决铸件液态成型时存在的问题，最终确定了合理的发动机缸体铸造工艺参数。

关键词：发动机缸体；数值模拟；MAGMA；铸造工艺

发动机缸体铸件作为汽车发动机的核心部件之一，属于典型的薄壁、复杂、多芯的难制造零件，被誉为铸造之花[1]。为了获得质量合格的缸体铸件，需要对缸体的铸造工艺进行设计并验证，改善浇注过程中的质量缺陷。将数值模拟与工艺设计结合，能有效缩短发动机缸体模具设计周期，能够降低发动机缸体的研制成本投入，从而提高企业的经济效益。

本文以NT型发动机缸体为研究对象，采用MAGMA数值模拟软件，按照工艺设计→数值模拟分析→优化设计→数值模拟分析→最优工艺的思路，对NT型发动机缸体铸件的铸造工艺进行研究，从而获得NT型缸体的最优工艺。该研究对于同类型缸体铸造工艺的设计可提供一定的参考价值。

1 有限元模型的建立

1.1 模型的确定及材料的选取

NT灰铸铁发动机缸体的三维模型如图1所示。

NT缸体最大轮廓尺寸为1146 mm×547 mm×598mm（长×宽×高），缸体单件铸件重390kg，其材质选择为HT250合金灰铸铁，缸体最小壁厚为5.8mm，主要壁厚为7.2mm。

1.2 发动机缸体浇注工艺设计

NT型缸体铸件结构复杂、壁厚不均且体积较大，结合工厂实际的生产条件及铸件结构，最终选择一型一件的铸造方式，选用立浇、底注式浇注的浇注方式对缸体进行铸造生产，具体的分型位置如图2所示。经过系列计算[24]，最终确定了NT型缸体浇注金属液重量为510kg，浇注时间为28s，A阻= 2050mm2。为获得良好的充型性，选择了开放式浇注系统，其中ΣA直：ΣA横：ΣA内=1∶2∶4的比例，因此横浇道截面ΣA横=4354mm2，内浇道截面ΣA内=8680mm2。

同时，结合缸体的结构及灰铸铁的特性，最终选择单颈缩顶冒口对铸件进行补缩。该冒口的形式及参数如图3所示。其中，冒口直径D=（1.02.0）δ，高度H=（1.52.0）D，冒口颈高度h=30，冒口颈直径d=0.55D。NT缸体需补缩的部位为缸筒顶面附近，经测量得其热节圆直径δ=50mm，结合铸造工艺手册及相关文献[46]，选择了冒口直径D=2.0，H=1.5的设计参数。计算可知，冒口中D=100mm，H=150mm，h=30mm，d=55mm。冒口共计12个，均布于缸体顶面两侧。

进一步，为减缓金属液从直浇道流下的冲击力，使其平稳地进入横浇道，在直浇道与横浇道过渡处开设圆角过渡连接，从而避免较大的紊流区域，其示意图如图4所示；同时在横浇道处设置3°的拔模斜度，以进一步减小金属液的飞溅及紊流程度，带有拔模斜度的横浇道如图5所示。结合上述对浇注工艺的设计数据，浇注系统的最终三维模型如图6所示，其浇注工艺参数具体见表1。

2 初步模拟结果分析

2.1 充型模拟结果分析

图7为采用MAGMA软件对NT缸体初步工艺方案充型时间模拟图。该图反映了金属液到达铸型中的不同位置时需花费的时间。

由图7可以件直浇道、横浇道在短时间内充满，随后金属液由内浇道进入并填充铸型。内浇道均布于缸体两侧，使金属液均匀地从缸体两侧引入，控制了金属液流入型腔的顺序。铸件的充型过程从缸体下部开始，随后逐渐填充满整个型腔，直至充型结束，符合底注式浇注的特点。

需要注意的是，当金属液通过内浇道进入缸体中时，图7中缸体底部不规则颜色变化反映了金属液在由最后一个内浇道进入到型腔时存在一定的紊流区，这可能是金属液的动能过大，而横浇道并末端并未起到缓冲作用所致。随后，金属液面相对平稳地上升，直至充满整个型腔。

为探究金属液由内浇道进入缸体时产生金属液紊流区原因，对金属液充型的具体过程进行了模拟计算，如图8所示。

图8为不同时刻金属液的充型位置示意图。金属液从直浇道过渡到横浇道时由于势能转化，金属液到达横浇道时具有很大的动能。

从图8中可以看到，当头股金属液顺着横浇道流动至横浇道末端时，在横浇道末端处设置的缓冲段并没有起到减小金属液动能的作用，使得头股金属液与横浇道末端碰撞，发生反向回流。回流的金属液与后方正向流动的金属液汇合后，产生了很大的飞溅，致使汇合后的金属液从最后一个内浇道进入型腔，导致了金属液的不平稳充型，如图8（c）所示。随后，金属液逐渐将横浇道填满，依次通过内浇道逐渐进入型腔进行充型，直到将型腔充满为止。

由于头股进入到型腔的金属液产生了较大的飞溅，因此充型过程前期并不是十分平稳，这与图7中金属液的紊流区相吻合。

2.2 凝固过程中液相残余分布模拟分析

在鑄造数值模拟软件中，可通过液相残余分析铸件的凝固过程。图9为金属液在凝固过程中的残余液相分数分布模拟图。为便于观察，对缸体进行切片，观察缸体内部的凝固过程。根据右侧颜色卡尺与残余液相分数之间的对照关系图可知，随着标尺颜色由上（白色）至下（蓝色）的逐渐变化，型腔内的残余液相分数依次降低。除此以外，颜色卡尺上端还存在灰色的空缺区，对应的是缸体中的冒口顶部的一部分，这是由于缺失金属液所导致金属液空缺区。

以缸体第六缸筒补缩过程为例，由图9中（a）与（f）可知，在刚凝固时，冒口及缸体上部的残余液相最多。随着凝固过程的进行，缸体中金属液不断产生液态收缩，冒口处金属液在重力压头的作用下向缸体中提供金属液，补充铸件中已收缩的部分，发挥冒口补缩的作用。

随着上述过程的不断进行，冒口中提供的金属液不断被消耗，冒口中Empty区域（灰色部分）增大，仍无法补充缸体中金属液收缩时所带来的体积损失。因此，冒口中金属液先行冷却而凝固，其下方被补缩部位的补缩通道关闭，在缸体中形成孤立液相区，残余液相随着温度的降低将产生液态及凝固收缩，如果收缩过程得不到充分补缩，则该处可能产生缩孔、缩松。由于冒口中的金属液流入被补缩部位，冒口中金属液损失过多，其金属液空缺区不断向铸件中延伸，直到延伸至缸体缸筒附近，最终导致铸件缸筒附近存在明显的缺陷，如图9（e）、图9（f）所示。

2.3 缸体缺陷模拟

MAGMASOFT软件中，采用PROSITY（缩孔分析率）判据对铸件中可能产生缩孔缩松的部位进行分析。图10为上述浇注系统在MAGMA软件中PROSITY判据的模拟结果，使用该判据可以显示出铸件表面及内部的缩孔、缩松缺陷及其所在位置。右侧的卡尺颜色对应着出现缩松缩孔的概率大小。蓝绿色区域表示缩孔缩松率为零，即没有缩松缩孔；而白色区域表示缩孔率非常高，接近100%。

因模拟时采用了相对苛刻的模拟条件，加之缸体本体中出现缩松缩孔概率不足2%，此为可以接受的缺陷，这些缸体内部的缩孔缩松缺陷在此不作讨论。

从图10中可以看出，在缸体上部第六缸冒口处存在着比较严重的缩孔缺陷，且该缺陷已从冒口处延伸至铸件内部，影响到了铸件的质量，这与图9中冒口中存在的Empty区域相吻合。结合前节分析可知，这是冒口中金属液的损失所导致的缺陷。该缺陷可以通过增大冒口容纳金属液的能力来消除。

需要注意是，在图9（e）以及图9（f）所示孤立液相区，并没有在图10中对应的位置发现有明显的缺陷，这一现象可以通过灰铸铁自身的特性以及均衡凝固理论加以解释：金属液从浇注到凝固主要会经历三个收缩阶段，即液态收缩阶段、凝固收缩阶段以及固态收缩阶段。在凝固收缩阶段中，灰铸铁将发生共晶转变在奥氏体树枝晶中析出石墨，由此产生石墨化膨胀，可抵消部分或全部凝固过程中产生的收缩。缸体第六缸附近相对较为厚大，当冒口补缩通道关闭后在缸体第六缸附近区域形成孤立液相区。由于逐层凝固方式是灰铸铁的一个固有特性，在孤立液相区开始凝固时，会在孤立液相区周围首先形成固相，逐渐向液相区中心凝固。由于液相到固相的转变伴随着石墨析出所带来的石墨化膨胀，周围凝固析出的石墨将会对中部液相区产生膨胀，以抵消孤立液相区中心金属液冷却时产生的收缩。因此，铸件越是厚大部分，凝固时石墨析出时带来的石墨化膨胀效果越明显。

综合上述分析可以看出，冒口的存在对缸体中金属液的液态收缩的确起到了一定程度的液态补缩作用，使得冒口下方被补缩部位没有产生明显缺陷，应予以保留；但是该补缩过程进行到一定程度时，冒口中的金属液在重力压头的作用下不断向铸件中补充，导致冒口中的金属液损失过多带来了缺陷，该缺陷延伸至铸件内部对铸件质量产生了影响，因此需对冒口重新进行设计。

3 基于数值模拟的NT型缸体铸造工艺优化

初步数值模拟的结果显示，在上述工艺中主要存在两个问题：一是金属液充型的平稳性不足，金属液在由最后一个内浇道进行型腔时产生了较大的飞溅，使充型前期存在有局部的紊流区；二是在缸体顶面，靠近冒口处存在金属液的空缺区，该缺陷延伸至铸件内部，对铸件的完整性造成了一定影响。基于此，为获得外形完整，性能达标的铸件，需对缸体现有铸造工艺进行优化，优化工艺应主要从改善缸体金属液的充型性以及优化冒口设计两方面进行。

3.1 缸体充型优化

为提高金属液充型平稳性，将横浇道末端延长，并将其设置为阶梯状，希望对金属液起到缓冲作用，降低金属液充型过程中的紊流程度。横浇道的优化示意图如图11所示。

从图12中不难看出，金属液几乎是从缸体两侧均布的内浇口处同时进行缸体中进行充型，金属液从内浇口进行型腔时，并未产生明显的飞溅现象。从图中金属液温度分布可以看出，横浇道末端的金属液温度相對较低，这是头股金属液刚进入铸型时与周围介质产生了强烈的换热，温度下降快，因此在图12中存在着颜色差异。低温金属液被储存在横浇道末端，而未进入铸型中，这对改善铸型的充型性以及缸体铸件的质量有积极意义。

同时，与图8中初始的工艺方案相对比，该充型过程十分平稳，说明该优化方案对改善金属液在浇注系统中的流动状态有明显效果。

经前面分析可知，金属充型不平稳的原因主要是横道角末端并未有效的减小金属液动能，致使其发生回流，并与正向流动的金属液发生碰撞。阶梯型浇道好处在于当金属液流向末端与型壁产生碰撞时，能够有效地“压”住金属液，增加金属液与铸型壁碰撞的可能，从而有效的减小金属液的动能，阻止其产生卷气、回流。

另外，由于横浇道末端加长，产生碰撞后的冷污金属液能够被存储在横浇道末端，未进入到铸型之中，这能够有效改善铸件的质量。图13是优化后铸件金属液充型铸件的时间模拟图，与图7相比，金属液几乎是同时从内浇道进入到铸型中，这说明金属液充型的平稳程度已得到极大的改善。

3.2 缸体凝固过程优化

在初步工艺设计中，数值模拟结果显示在缸体第六缸顶面存在着明显的缺陷。经分析，该缺陷是由于冒口尺寸设计偏小，当冒口中金属液损失过多时候，冒口中的金属液空缺区延伸至铸件内部所导致。当在第六缸中，需补缩的部位仍为缸筒顶面附近，其热节圆与另外五缸相同，其直径δ均为50mm。根据冒口的初始设计方案及数值模拟结果，现保留冒口直径不变，将其高度H在设计范围内取较大值2.0，即优化后冒口高度由150mm提高到200mm，以改善冒口对缸体的液态补缩效果。将冒口加高后，同时保留其余工艺参数不变，对优化后缸体的凝固过程进行模拟，其结果如图14所示。

（a）残余液相fs=95% （b）残余液相fs=80%

（c）残余液相fs=50%（d）残余液相fs=20%

（e）残余液相fs=5%（f）残余液相fs=1%

图14 工艺优化后缸体凝固过程的残余液相分布

图14为工艺优化后缸体凝固过程中残余液相分布模拟图。为便于观察缸体内部的凝固过程，对缸体铸件进行了切片处理。

结合初始工艺方案的图9及优化工艺方案的图14可以看出，工艺优化后，缸体的凝固顺序并没有太大改变，冒口下方仍存在着明显的残余液相区，缸筒附近仍是铸件中最后凝固的区域。进一步对比图9中的（e）、（f）以及图14中（e）、（f）可知，冒口的空缺区保留在冒口中，而未延伸到铸件内部。

3.3 优化后缸体缺陷模拟

图15为工艺优化后PROSITY判据中缩松缩孔分布示意图。与图10相比而冒口增高后，第六缸冒口中的缺陷有较大的改善：与图10对比可知，第六缸冒口中的缺陷区有所“上移”。这是因为冒口增高后存储的金属液增多，因此在凝固过程中能够提供足够的金属液对需补缩的部位進行进一步补缩，不会因金属液不足而导致冒口中产生大面积的空缺区。这说明优化工艺方案对缸体内部缺陷的消除是合理的。

综上所述，改善浇注系统结构及调整冒口设计尺寸的方案符合要求，确定该工艺方案为最终实际生产的工艺方案。

4 结论

通过对NT缸体铸件结构进行分析，选择了立浇工艺方案、底注式开放式浇注系统对缸体进行浇注。并且进一步通过MAGMA数值模拟及优化，最终确定了NT型缸体铸件的浇注参数及浇冒口优化方案：浇注温度1400℃，浇注时间28s，直浇道阻流截面ΣA阻=2050mm2，横浇道中段ΣA横=4354mm2，内浇道截面积之和ΣA内=8680mm2；并辅以直浇道末端圆弧过渡设计、横浇道拔模设计以及横道道末端阶梯型设计保证金属液充型的平稳性；同时采用12个单颈缩顶冒口均布于缸体顶面两侧，以补充金属液冷却时产生的收缩，通过分析模拟过程中缩孔问题产生的原因，最终采用加高冒口的方式，优化设计了冒口尺寸，其直径D=100mm，高度H=200mm，得到适于NT缸体的最优浇注工艺方案。

参考文献：

[1]万仁芳.汽车工业发展与汽车发动机灰铸铁缸体生产技术[J].铸造，2001，50（12）：746751.

[2]刘增林.汽车发动机薄壁灰铸铁缸体的立浇工艺分析[J].铸造技术，2014（4）：822825.

[3]刘文川，向敬成.大型铸件有效浇注时间的计算[J].大型铸锻件，2000（4）：1420.

[4]李新亚.铸造手册.第5卷，铸造工艺 [M].机械工业出版社，2003.

[5]陈淑惠.铸件冒口设计的原则及方法[J].科技创新导报，2008（27）：100102.

[6]彭显平.气缸体类铸铁件厚大热节处冒口的优化设计[J].铸造技术，2011，32（6）：800803.

作者简介：兰乔（1991），男，硕士研究生，主要研究方向为产品质量检测及失效分析、铸造工艺等。

通讯作者：刘弈（1990），男，硕士研究生，主要研究方向为材料成型及加工工程。

作者：兰乔刘弈 谢正茂