1、西安航空职业学院毕业论文基于复合铸型的铸铁件铸造工艺数值模拟与试验研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：本文选取某发动机部件壳体为典型件，首先开展典型件传统铸造工艺的单一铸型和基于无模铸造复合成形技术的多材质复合铸型工艺的方案设计，然后对其传统铸造工艺和多材质复合铸型工艺分别进行了有限元数值模拟与实验研究，最后得知：多材质复合铸型工艺所得铸件厚薄区域的凝固时间之差大幅度缩短；铸件重要区域石墨形态为 A 型，石墨长度较小，且分布均匀；与传统铸造工艺相比，铸件重要区域的抗拉强度提高约 15.8-16.4。该研究成果可为复杂铸铁件高性能、高质量铸造提供技术参考。关
2、键词：无模铸造复合成形技术；多材质复合铸型；凝固时间；石墨形态；抗拉强度1 引言传统铸造工艺条件下，复杂铸件往往会因结构设计不合理以及局部导热系数、界面换热系数、收缩率等的不同而导致铸件出现缺陷或废品。针对此问题，提出了一种多材质复合铸型代替传统单一铸型的新工艺方法 1，2 ，该工艺方法是基于无模铸造快速成形技术（切削加工或者 3D 打印获得铸型）而实现，各铸型单元均可设置其不同的型砂材料以及收缩率等，进而最终获得传统铸造工艺无法得到的高性能、高质量以及结构优良的铸件。本文提出的多材质复合铸型所用造型材料包括：粘结剂为碱性酚醛树脂的硅砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英砂以及钢丸混砂等五种型砂。在前期多
3、材质复合铸型机理研究基础上，选取典型铸铁件为研究对象，首先通过 Procast 铸造工艺有限元数值模拟软件对典型铸件的铸造工艺进行数值模拟，优化铸造工艺方案。然后开展典型件的传统单一铸型和多材质复合铸型实验研究，最后通过对比分析典型件数值模拟与实验研究所得铸件的金相组织、力学性能等，验证多材质复合铸型工艺的优越性。2 典型件多材质复合铸型方案设计本次研究选取典型件为某船用发动机部件壳体（如图 1） ，其最大外形尺寸为：754mm603mm472mm。最厚壁约为 55mm，最薄壁为 8mm，壁厚差异非常大。该件为发动机重要部件壳体，两侧与气缸盖相连，中间安装有隧道式曲轴，因而要求铸件两侧及中间部
4、位必须具有较高强度与尺寸精度，且铸件整体性能均匀稳定。铸型方案设计参考作者之前研究成果 3，考虑铸铁件形状复杂且壁厚不均，结合基于无模化复合铸型工艺特点，铸造工艺设计时将整个铸型拆分为 9 个砂型单元。考虑到锆英砂与铬铁矿砂蓄热系数大，凝固速度快，且所得铸件强度较高 4，在两侧与气缸盖相连（厚壁处）应用锆英砂，同时考虑到铬铁矿砂具有防粘砂作用，可使得砂芯易于清理、铸件表面粗糙度低等优点，在中间型腔厚壁处 3 个砂芯应用铬铁矿砂，其余砂型单元均应用树脂砂。发动机部件壳体复合铸型如图 2 和图 3 所示。图 1 某发动机部件壳体三维图 图 2 某发动机部件壳体铸型三维图1#9#2#3#7#6#8#
5、4#5#Fig.1 3D Diagram of Engine Shell Fig.2 3D Diagram of mold of Engine Shell图 3 某发动机壳体复合铸型示意图Fig.3 Schematic Diagram of Hybrid mold of Engine Shell3 典型件铸造工艺有限元数值模拟3.1 典型件有限元模型建立及前处理加载采用铸件/铸型一体化建模方法，首先运用 SolidWorks 三维建模软件建立发动机部件壳体及其铸型的几何模型，并完成铸型、铸件的装配，然后通过 Procast 软件中的 Meshcast 功能模块对各铸型、铸件装配体进行表面网格及
6、体网格的划分，本次网格划分主要采用四面体网格，并对重要关注部位进行了局部网格加密。所建立典型件有限元模型如图 4 所示。图 4 发动机部件壳体有限元模型Fig.4 FEM of Engine Shell在 Procast 软件的前处理模块 Precast 中对各试件的有限元模型进行如表 1 的各热物性参数、运行参数、边界条件、初始条件以及重力条件等的设置 5。表1前处理各条件设置 Table1 Pretreatment conditions Setting 树脂硅砂锆英砂铬铁矿砂参 数 名 称 实 际 参 数 设 置铸 件 ： 灰 口 铸 铁 250铸 件 材 料铸 型 材 料 砂 型 ： 硅
7、砂、铬铁矿砂、锆英砂热物性参数 参考自测结果界 面 换 热 系 数 H 参 考 自 测 结 果浇 注 温 度 ： 1450浇 注 时 间 ： 10S边 界 条 件自 然 空 冷方 向 ： 重 力 方 向 （ 垂 直 向 下 ）重 力 参 数加 速 度 ： 9.8m/s2砂 型 的 初 始 温 度 ： T=25初 始 条 件浇 注 的 初 始 温 度 ： T=1450浇 注 方 式 重 力 浇 注运 算 步 数 2000000 步停 止 条 件 整 个 铸 件 温 度 低 于 200 时3.2 典型件凝固过程温度场数值模拟本次研究对发动机部件壳体的传统铸造工艺和复合铸型工艺分别进行凝固过程温度场
8、的数值模拟 7，得到凝固时间（即全部到达液相线时间）结果如图 5 所示。传统铸造工艺 复合铸型工艺图 5 发动机部件壳体凝固时间Fig.5 Solidification time of Engine Shell由数值模拟结果可知，传统铸造工艺中发动机部件壳体壁厚较薄边全部到达液相线的最短凝固时间约为 192s，壁厚较厚的边最长凝固时间约为 1056s，差约 864s。而复合铸型工艺由于对中间较厚的区域应用了蓄热能力较强的铬铁矿砂，两侧最厚的区域应用了蓄热能力更强的锆英砂，使得发动机部件壳体壁厚较薄边最短凝固时间约为 200s，而壁厚较厚的边最长凝固时间约为 527s，凝固时间差约 327s，大
9、幅度缩短了厚薄区域的凝固时间之差，凝固速度也相对增加。3.3 典型件金相组织及力学性能数值模拟本次研究对典型件的传统工艺和复合铸型工艺所得铸铁件分别进行了金相组织及力学性能的数值模拟，所得石墨体积分数结果如图 6 所示，所得力学性能结果如图 7 所示。传统铸造工艺 复合铸型工艺图 6 发动机部件壳体石墨体积分数Fig.6 Graphite volume fraction of Engine Shell传统铸造工艺 复合铸型工艺图 7 发动机部件壳体抗拉强度值Fig.7 Tensile Strength of Engine Shell由上述有限元数值模拟结果可知，传统铸造工艺所得发动机部件壳体的
10、重要区域（中间连接曲轴处及两侧连接气缸盖处）的石墨体积分数为 0.01370.0157，抗拉强度值约 333.5MPa。复合铸型工艺所得发动机部件壳体的重要区域处石墨体积分数为 0.01140.0131，抗拉强度值约为 394.9MPa，比传统铸型工艺提高约 18.4。石墨体积分数低则力学性能好，发动机部件壳体重要区域强度值高，力学性能好。4 典型件传统铸型与复合铸型工艺实验研究4.1 典型件铸造工艺实验条件各类型砂配比为：碱性酚醛树脂为原砂重量的 2%，固化剂为树脂重量的 20%。在数字化无模铸造精密成形机切削加工各砂型单元，并将各砂型单元组装成待浇注铸型如图 8。当铁水温度到达 1450后
11、进行浇注，最后得到发动机部件壳体铸件如图 9 所示。传统铸型 复合铸型图 8 切削组装所得铸型Fig.8 Casting Obtained after Cutting and Assembling传统铸型所得铸件 复合铸型所得铸件图 9 发动机部件壳体铸件Fig.9 The Engine Shell Castings4.2 典型件金相组织测试 对发动机部件壳体铸件重要区域（中间连接曲轴处和两侧连接气缸盖处）进行切割，并磨取试样，在高倍光学显微镜下观看其石墨分布形态及长度如图 10 和图 11 所示：传统铸造工艺 复合铸型工艺图 10 中间连接曲轴处石墨形态Fig. 10 Graphite Fo
12、rm in the Middle Connected with Crankshaft传统铸造工艺 复合铸型工艺图 11 两侧连接气缸盖处石墨形态Fig. 11 Graphite Form at Both Sides Connected with Cylinder Cover传统铸造工艺所得发动机部件壳体的中间连接曲轴处石墨形态为 A 型，但是尺寸较大，约为150200um。而复合铸型工艺所得发动机部件壳体中间连接曲轴处石墨形态为 A 型，且分布均匀，尺寸细小，约为 50150um。传统铸造工艺所得发动机部件壳体的两侧连接气缸盖处石墨形态主要为 A+C 型，分布不均，且有少许块状石墨，长度约为
13、150250um。而复合铸型工艺所得发动机部件壳体的两侧连接气缸盖处石墨形态为 A 型，分布较为均匀，无块状石墨，尺寸较小，约为 100200um 7。究其原因，中间连接曲轴处壁厚约 20mm，两侧连接气缸盖处壁厚最大约 55mm，传统工艺用树脂砂时凝固速度较慢，而复合铸型采用蓄热系数较大的铬铁矿砂和锆英砂使得该区域凝固速度加快，减小与周围的温度梯度之差，因而石墨的尺寸随之减小，且分布趋于均匀 8。4.3 发动机部件壳体抗拉强度测试在发动机部件壳体铸件重要区域（中间连接曲轴处和两侧连接气缸盖处）切割试样，在万能材料试验机上测试其抗拉强度如图 12 所示：图 12 发动机部件壳体重要区域抗拉强度
14、Fig. 12Tensile Strength of the Important Positions in Engine Shell由上述研究结果可知，传统铸造工艺所得发动机部件壳体的两侧与气缸盖连接区域抗拉强度值约为226.872229.704MPa，中间与曲轴连接区域抗拉强度值约为 266.802268.211MPa。复合铸型工艺所得发动机部件壳体的两侧与气缸盖连接区域抗拉强度值约为 270.024272.636MPa，比传统铸型工艺提高约15.98。中间与曲轴连接区域抗拉强度值约为 312.461315.513MPa，比传统铸型工艺提高约 16.4。 究其原因，石墨的尺寸越大，分布越不均
15、匀，则石墨的缺口作用就越明显，铸铁的强度就越低。与传统铸造工艺相比，发动机部件壳体的中间与曲轴连接及两侧与气缸盖连接区域所得石墨尺寸细小，分布均匀，因而其抗拉强度值较高。5 结论本文选取某发动机部件壳体为典型件，对其传统铸造工艺的单一铸型和基于无模铸造快速成形技术的多材质复合铸型工艺分别进行了有限元数值模拟与实验研究，得到以下结论：（1）传统铸造工艺中发动机部件壳体壁厚较薄区域全部到达液相线的最短凝固时间约为 192s，壁厚较厚的区域最长凝固时间约为 1056s，差约 864s。而多材质复合铸型工艺发动机部件壳体壁厚较薄区域最短凝固时间约为 200s，而壁厚较厚区域最长凝固时间约为 527s，
16、差约 327s，厚薄区域的凝固时间之差大幅度缩短。（2）传统铸造工艺所得发动机部件壳体中间连接曲轴处的石墨长度约为 150200um，石墨形态为 A 型，两侧连接气缸盖处的石墨长度约为 150250um，石墨形态为 A+C 型，且分布不均。多材质复合铸型工艺所得发动机部件壳体中间连接曲轴处的石墨长度约为 50150um，石墨形态为 A 型，两侧连接气缸盖处的石墨长度约为 100200um，石墨形态为 A 型，且分布均匀。（3）传统铸造工艺所得发动机部件壳体的两侧与气缸盖连接区域抗拉强度值约为226.872229.704MPa，中间与曲轴连接区域抗拉强度值约为 266.802268.211MPa
17、。多材质复合铸型工艺所得发动机部件壳体的两侧与气缸盖连接区域抗拉强度值约为 270.024272.636MPa，比传统铸型工艺提高约 15.98。中间与曲轴连接区域抗拉强度值约为 312.461315.513MPa，比传统铸型工艺提高约16.4。综上，基于无模铸造快速成形技术的多材质复合铸型工艺所得铸件性能均匀良好，该研究成果可为复杂铸铁件高质量铸造提供技术参考。参考文献1 机械科学研究总院先进制造技术研究中心. 一种铸件的铸型制造方法 P. 中国，发明专利, ZL200910162301.3, 2013. 01. 09.2 Xiaoli Dong, Zhongde Shan, Feng Li
18、u. Study on manufacturing of sand mold by direct milling C. The 3rd seminar of sino-korea cooperation on the advanced manufacturing technology, 2008: 165-169.3 刘丽敏. 复杂铸铁件无模化自适应复合铸型机理研究D. 机械科学研究总院, 2017.4 陈宗民, 于文强. 铸造金属凝固原理M. 北京: 北京大学出版社, 2014. 1.5 V. E. Bazhenov, A. V. Koltygin, A. V. Fadeev. The us
19、e of the ProCast software to simulate the process of investment casting of alloy based on titanium aluminide TNM-B1 into ceramic moldsJ. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2013, (6): 551-555.6 徐尊平，强华. 不同铸型铸造凝固过程温度场的有限元模拟J. 热加工工艺, 2008, 37(17): 13-15.7 侯起飞, 杨娟, 王刘利. 石墨形态和氧化夹杂对灰铸铁力学性能的影响J. 铸造技术, 2010, 31(05): 302-304.8 杨永录, 张绪国, 宋岩等. 灰铸铁组织中不良石墨形态的金相分析及质量改进J. 金属加工(热加工), 2012, (01): 71-74.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
