评职称或毕业的时候，都会遇到论文的烦恼，为此精选了《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！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。
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： 随着当今社会经济与科学技术的协同发展，汽车制造行业的发展也十分迅速。而在汽车制造中，发动机缸体是一个关键部分。为实现发动机制造及其应用质量的良好保障，本文特对其发动机缸体的铸造技术进行分析。希望通过本次的分析，可以为汽车发动机缸体加工及其后续应用效果的保障提供科学参考，以此来促进汽车生产制造质量的进一步提升。
關键词： 汽车;发动机;缸体铸造;铸造技术;应用实例
Key words： automobile;engine;cylinder block casting;casting technology;application examples
0 引言
在对汽车发动机缸体进行铸造的过程中，相关企业与技术人员应注重缸体材料的合理选择、造型工艺的良好应用、铸造精度的有效保障以及缸体型芯的精确制作。通过这样的方式，才可以让汽车发动机缸体得以良好铸造，满足汽车发动机的实际应用需求，并进一步确保汽车的生产、制造质量、应用效果及其安全性。这对于汽车发动机缸体铸造技术的提升以及汽车制造行业的良好发展都将起到十分积极的促进作用。
1 汽车发动机缸体铸造技术发展意义及其现状分析
1.1 汽车发动机缸体铸造技术的发展意义分析
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。
1.2 汽车发动机缸体铸造技术国内外现状分析
1.2.1 国外技术现状分析
就目前的国外汽车发动机缸体铸造来看，灰铸铁以及铝合金是其常用的原材料。而随着近年来的缸体铸造技术发展，灰铸铁在其中所发挥的优势越来越显著，而灰铸铁在汽车发动机缸体铸造原材料中的应用占比也呈现出了逐年增加的趋势。在具体的缸体铸造中，HT250灰铸铁开始成为了主要的原材料;在缸盖铸造中，HT300灰铸铁则是其主要的原材料;而在铸芯选择中，壳芯以及冷芯盒是其主要的原材料[1]。同时，在具体的铸造加工过程中，温度控制也成为了一个关键环节，只有确保温度的稳定性，才可以让原材料性能保持稳定，以此来确保铸造质量。
1.2.2 国内技术现状分析
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。就目前我国汽车发动机缸体铸造中的原材料来看，也将国外常用的HT250灰铸铁用作主要材料，将高碳低合金用作其铸造原则，让缸体具有良好的防漏性能。对于铸芯，其主要材料则是冷芯盒，以此来确保其高强度、低膨胀以及良好的溃散性。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。
2 汽车发动机缸体铸造中的主要技术分析
就目前来看，在对汽车发动机缸体进行铸造的过程中，其主要的技术措施包括四项，第一是缸体材料的合理选择，第二是造型工艺的良好应用，第三是铸造精度的有效保障，第四是缸体型芯的精确制作。因此，在具体的汽车发动机缸体铸造过程中，相关企业和技术人员一定要对这几项关键的技术措施加以合理应用，通过各种工艺技术的合理选择与工艺参数的良好控制来确保其铸造质量。这样才可以有效满足汽车发动机缸体的实际制作及其应用需求。以下是对这几项技术措施所进行的分析：
2.1 缸体材料的合理选择
就汽车发动机缸体材料的选择及其发展来看，铸铁、铝合金以及蠕铁都已经成为传统材料。在当今的大部分汽车发动机中，HT250灰铸铁都成为了主要材料。比如，在康明斯B系列中，发动机顶面上的硬度可达到197±7HB，其中的A型石墨含量在80%以上，B型石墨含量在10%以下，石墨机体属于细片型珠光体，其等级长度约为4-6级。
在具体的材料选择中，首先需要做好铸铁成分控制，在工频炉的熔化过程中，一定要将硫和锰元素含量加以科学调整，经孕育获得到的A型石墨含量应达到95%，且应做好硅含量控制。其次是控制好碳含量，防止因碳含量过高导致的力学性能降低或者是因碳含量过低导致的缩松渗漏问题。再次，为实现缸体铸造硬度及其强度的有效提升，应加入适量的合金，但合金加入量需根据实际情况来确定，避免加入量过大产生的游离碳化物影响到缸体硬度和强度;为有效阻止碳化物形成，为珠光体基体的获得提供足够便利，可将适量的锡加入其中[2]。最后，在具体的铸造过程中，一定要做好HT250灰铸铁浇筑时间及其浇筑温度的控制，以此来确保缸体铸造质量。表1是缸体材料选择中的主要参数控制情况。
2.2 造型工艺的良好应用
虽然缸体构件的造型方法有很多，但是在缸体造型技术的不断提升中，高压造型法已经在汽车发动机缸体铸造中得到了普遍应用。这种造型工艺的优点有很多，比如，其压力可以控制在1MPa，型腔表面的硬度可以超过80HB。为确保造型效果，铸造中，需将型砂性能加以进一步提升。通常情况下，混碾将会对型砂性能产生不良影响，进而直接对产品质量造成不良影响，严重的情况下甚至导致产品报废。基于此，在此项造型工艺的具体应用中，相关企业与技术人员一定要对型砂做好性能测试，使其实率处于46%-49%之间，并使其破碎指数达到80%。
在此过程中，也需要对砂斗加以合理改进，在型砂性能得以良好保障的基础上尽可能缩短混制和造型之间的距离。通过这样的方式，便可在每一次造型结束之后都尽可能保障贮砂斗内没有存砂情况，让下一次造型过程中应用的是新制备好的型砂。为达到良好的造型效果，造型过程中，需要每半小时进行一次砂斗下方的型砂测试，如果发现型砂不合格，则需要通过皮带将其返回，然后重新进行混合。
2.3 铸造精度的有效保障
在进行汽车发动机缸体的铸造过程中，为实现其铸造精度的有效保障，相关企业与技术人员应注意以下几点：第一是基准面的合理选择，在对缸体进行铸造与加工的过程中，一定要做好工艺基准面的选择，在缸体表面上的尺寸有上千个，如果各个尺寸在具体生产中都会有一定的偏差存在，这样便会出现较大的尺寸链，这是设计中不允许出现的情况。基于此，在铸造过程中，就需要严格做好下芯位置以及外模尺寸的控制，并通过加工基准来进行毛坯加工定位点的确定，使其设计足够合理，且前后保持一致。第二是收缩量的正确选择，在铸液成分的影响作用下，缸体铸造精度也具有一定的控制难度，所以，铸液收缩率的合理选择也是一项至关重要的内容。就最常见的高压造型而言，其长度方向上的铸液收缩率应定为0.8%，高度方向上的铸液收缩率应定为1%。第三是工装制造精度的提升，就目前的数控机床加工而言，其工装制造精度应控制在0.03mm，尤其是对于成批生产的缸体铸件，更应该做好其工装制造精度的控制。具体铸造中，因为错边问题会对工装制造精度产生不良影响，所以技术人员一定要定期做好错边檢查，以此来实现错边问题的有效防治[3]。第四是水套芯的合理选择，这是确保缸筒壁厚度均匀的关键，在水套芯上，应做出缸盖桶水孔的小芯片，并严格做好芯头控制;水套芯和缸顶面芯之间应做好胶合处理，并用螺栓做好固定，水套芯两个端头位置留出的工艺孔则应该较大些。通过这样的方式，才可以让缸体铸造精度得以良好控制。
2.4 缸体型芯的精确制作
因为冷芯盒是通过树脂砂吹制而成，所以在具体制作中，为了让砂芯棱角足够清晰，就需要让砂芯具有良好的紧实性，且芯盒中的气体排出速度应该比计入速度大。为达到这一效果，在对分盒以及顶出孔周围进行加工的过程中，需要预留出深度是0.25mm的间隙和排气槽，以此来实现排气效果的加强。同时，在制作过程中，也应该对芯盒表面经常进行清洗，防止芯子表面粗糙或者是结疤情况产生。在芯子储气和清整过程中，一定要对原材料做好发气量的控制，并确保芯子排气足够通畅，特别是芯头，更需要将砂芯接触加大。因水套芯可以进行芯子内部的钻孔，更容易在其内部形成通气网络，所以可将其应用到气缸筒芯中，以此来达到良好的中空效果，为气体流通提供足够便利。在芯子清理过程中，应格外注重毛刺飞边的清理，这样才可以有效避免铸件凹痕产生，使其质量得以良好保障[4]。另外，在具体的型芯制作过程中，也需要对其覆膜砂加以正确使用，覆膜砂可以直接购买，也可以选择具有较好流动性的中砂，以此来实现涂料的省略和资源的节约;且覆膜砂在应用中不可存放过长时间，这样才可以有效防止因砂粒分离而导致的芯子龟裂甚至破损现象。
3 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：
3.1 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。表2是其具体的尺寸控制要求情况。
3.2 頂面精加工工艺
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。图1是其机床加工图。
3.3 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[5]。图2是缸孔精加工中的珩磨机加工图。
4 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，然后根据实际情况，结合实际需求，将相应的铸造加工技术加以合理应用，并做好其中的各项材料、设备、工艺选择与参数控制。通过这样的方式，才可以实现汽车发动机缸体的良好铸造，满足其实际应用需求，促进汽车生产制造技术在当今时代中的良好应用与发展。
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.
[3]陈新华，谢映秋，韦江林.发动机机械加工新技术及应用[J].时代汽车，2020（13）：29-30.
[4]廖仲杰.汽车发动机铝合金缸体压铸工艺的改进[J].科学技术创新，2019（22）：150-151.
[5]李涛.基于数值模拟的发动机缸体浇注系统优化设计[D].导师：于珍，曹月山.山东大学，2019.
[6]季境伟.发动机缸体铸铁件数字化浇冒口工艺系统研究
[D].导师：单忠德.机械科学研究总院，2018.
作者：杨子昂
缸体铸造工艺设计论文 篇2：
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