1 绪 论
1.1 课题的研究背景和研究意义
由于消失模技术具有与传统工艺无法比拟的优势以及独特的工艺性，所以特别适合于缸体、缸盖、进排气歧管等形状复杂、需要砂芯成型的汽车铸件。消失模铸造技术在生产汽车铸件方面有着巨大的发展潜力。进入 21 世纪，我国的汽车工业正处于快速发展时期，在今后的一段时间里，我国汽车铸件产量势必有大幅度的提高，与此同时各汽车厂家对汽车铸件质量的要求也将更为严格。汽车工业的快速发展，为我国铸造业的发展带来了机遇与挑战,也为在我国推广、发展消失模铸造技术带来了新的契机。从 90 年代开始，消失模铸造技术在我国的实践过程中，一些厂家收到了比较好的经济和社会效益，但其生产水平与国外比较仍有着较大差距。消失模铸造技术是一种发展中的新技术与新工艺，它需要进一步补充和完善，攻克其发展中的各个关键技术，要使其完全走向成熟和得到普遍的应用,还有很多很多工作要做。其中，研究消失模铸造的各个关键技术是一个十分重要的方面。只有把握好消失模铸造中的各个关键技术，才能方便人们在生产实践中正确运用消失模铸造技术，才能获得良好的经济与社会效益。发动机缸体作为汽车发动机的关键零件，其结构复杂，机加工量大，薄壁区多，技术要求极其严格。其工艺范围狭窄，影响因素众多，几乎集中了各种铸造生产技术难点于一身。因此，缸体铸件产品的水平是铸造企业技术水平的重要标志。发动机缸体、缸盖的制造水平也是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。
缸体铸件的特点决定了其比较适合采用消失模铸造工艺。我国的消失模铸造应用于缸体铸件的研究起步较晚，与国外先进水平差距明显。因此，研究消失模铸造技术在缸体生产中的应用具有较高的实用价值。在消失模铸造技术生产中，铸造工艺参数与泡沫模样是消失模铸造成败的关键。模具及发泡成型过程是获得完好泡沫模样的关键环节。尤其是像缸体类复杂薄壁泡沫模样，其合理的模样分片、模具设计以及合理的泡沫珠粒充填方法对于最终泡沫模样质量至关重要。合理的铸造工艺参数是获得良好铸件的最终保证。
1.1.2 课题研究的意义
一般认为消失模铸造工艺的关键技术包括四个方面: ① 模样设计与制作；②涂料及涂浸技术；③ 干砂及振动紧实；④ 工艺设计及控制。其中模样设计与制作是消失模铸造中最为关键的技术，可以细分为：① 泡沫原材料和模型胶合材料；② 控制合理的预发和成型工艺参数，包括模具、水分、蒸汽压力、温度和时间等。工艺设计及控制是获得合格铸件的保证。因此研究模样的设计和制作过程与工艺参数，掌握模样制作和工艺控制的关键技术，对正确运用消失模技术有巨大作用。消失模技术有独特的工艺性，因此其模具比较特殊，设计模具要根据其特点来设计。而且模具的制造精度直接影响到模样的尺寸精度和表面粗糙度。模具对模样表面质量的影响因素主要包括模具上通气孔的大小及排布、模具的壁厚和型腔表面的粗糙度。因此，模具的质量决定了模样的质量，从而最终决定生产的铸件的质量。我们不难看出模具在消失模铸造生产中的作用和不可替代的位置。因此研究消失模模具制造方法与工艺，是一个重要而艰巨的课题。本文通过运用消失模铸造原理，对运用较为广泛的某型号的发动机缸体泡沫模样进行工艺设计，对消失模工艺在发动机缸体铸造工艺过程中的关键技术进行研究，为企业在生产发动机缸体等汽车铸件时，能够掌握消失模铸造技术的关键技术，正确运用消失模工艺提供了指导，具有重大的技术经济意义。并设计出了符合消失模铸造工艺特点的消失模模具，生产优质的消失模发动机缸体铸件，为消失模模具设计和制造过程提供了技术指导，具有较高的学术意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 发动机缸体铸造概况
发动机是汽车的“心脏”，而缸体是发动机中重量最重、复杂程度最高、生产难度最大的一个关键零件。如今，根据发动机结构紧凑、轻量化的设计要求，缸体不仅要有好的内在质量以提高其寿命，还要好的外在质量，包括尺寸精度、形位公差、光洁度以及加工性能等。对于整体式发动机缸体，要求缸筒要有较高的耐磨性，还要耐压、耐腐蚀。康明斯发动机缸体，不仅水泵壳，连机油泵壳、机油散热器壳都与缸体铸为一体。国外为了提高发动机功率，降低油耗，从技术和工艺上采取各种措施提高材质性能以减薄铸件壁厚，减轻铸件乃至整机重量，如今一般中小型发动机缸体的璧厚在 3.5~4.5mm 之间，壁厚最薄处已不足 3mm。要铸造出这样薄壁、强度高、具有复杂内腔的铸件，就对我国的铸造技术提出了更高的要求，不仅要求材质强度高，均匀性好，而且对铸件尺寸精度和表面粗糙度的要求也十分严格。
在发动机缸体铸件的质量、生产技术和工装水平方面，我国与国外存在较大的差距：如尺寸精度，国外一般可达到 IS06~8 级，国内较好的汽车、内燃机厂为IS08~10 级。表面粗糙度国外铸件一般为 Ra12.5~50 μ m，国内一般厂为 Ra25~100 μ m，如今，国外很多型号的发动机缸体都采用了铝合金铸造，而我国大部分采用高牌号的灰铸铁铸造。如今，随着铝质发动机缸体的增多，发动机缸体的铸造方法扩展了许多，如最常用的湿型粘土砂有箱高压造型卧式浇注法；压力铸造、中压铸造、低压铸造都可以用来生产铝合金缸体；金属型铸造可以生产简单的铝缸体；Cosworth 法采用冷芯盒砂芯组芯造型，用于生产复杂薄壁铝合金铸件；消失模铸造采用干砂造型，可以生产薄壁、无拔模斜度的复杂铸件；树脂砂型铸造等。
2 消失模铸造数值模拟基本理论
消失模铸造被铸造界誉为“21世纪的铸造新技术”、“铸造的绿色工程”。消失模铸造工艺由于具有铸件尺寸精度高、表面粗糙度低、机械加工余量少、环境污染小等诸多优点，被认为是一项很有发展前景的近净型加工技术和清洁生产技术。由于影响消失模铸造充型过程的因素较多，目前，其工艺设计缺乏系统的理论和经验公式，使得消失模铸造技术的发展受到一定的限制。对于消失模铸造的新产品开发，往往需要进行大量的试验研究，才能确定合理的工艺方案。这样不仅周期长，而且费时费力。因此，采用计算机对消失模铸造过程进行数值模拟，可以观察金属的充型和凝固过程，研究各因素对消失模铸造过程的影响，对诸如缩孔、缩松、夹渣、气孔、裂纹等缺陷进行预测，有助于设计出合理的浇注工艺，为生产实践提供指导。而在计算机数值模拟中，数学模型的合理与否对于整个数值模拟过程的精确度和计算量具有重要影响。
3 消失模铸造充型特性研究......................... 25-51
3.1 参数设置........................ 25-26
3.2 铸铁件消失模铸造的充型形态........................ 26-29
3.2.1 分析模型 ........................26-27
3.2.2 模拟结果........................ 27-29
3.3 浇注系统对消失模铸造充型形态的影响........................ 29-49
3.3.1 浇注位置的影响........................ 29-33
3.3.2 浇道截面比例的影响........................ 33-42
3.3.3 空心直浇道的影响 ........................42-46
3.3.4 充型结果比较........................ 46-49
3.4 本章小结........................ 49-51
4 发动机缸体消失模铸造数值模拟........................ 51-73
4.1 发动机缸体铸件简介........................ 51-52
4.2 发动机缸体的泡沫模样设计........................ 52-53
4.3 浇注系统设计........................ 53-56
4.3.1 灰铸铁阻流截面积的计算........................ 53-55
4.3.2 浇道样式设计........................ 55-56
4.3.3 浇道比例的确定........................ 56
4.4 发动机缸体数值模拟前处理........................ 56-60
4.5 模拟结果分析........................ 60-72
4.5.1 充型过程分析........................ 61-70
4.5.2 凝固过程分析........................ 70-72
4.6 本章小结........................ 72-73
5 发动机缸体消失模模具研究 ........................73-81
5.1 消失模模具设计基本理论........................ 73-76
5.1.1 消失模模具设计的要求........................ 73
5.1.2 消失模模具设计的方法 ........................73-76
5.2 发动机缸体模具设计........................ 76-80
5.3 生产状况........................ 80
5.4 本章小结 ........................80-81
结论
本课题以铸铁件为数值模拟研究对象，采用 Unigraphics NX 4.0 为三维造型软件，以 ProCAST 软件为数值模拟工具，开展了铸铁件的消失模铸造数值模拟，并设计了汽车发动机缸体的消失模模具。首先研究了不同浇注系统对铸铁件消失模铸造充型过程的影响；其次，结合实际对某型号的发动机缸体的消失模铸造过程进行模拟，研究不同浇注温度和真空度对发动机缸体消失模充型过程的影响，以及采用优化后的工艺研究了缸体的凝固过程；然后根据模拟结果，设计了缸体的消失模铸造的模具结构等。得到以下结论：
① 导致消失模铸造和传统普通铸造充型模式差异的根本原因就是消失模铸造金属液流动前沿存在着泡沫模样分解产物，形成气隙层，气隙中存在一定的气隙压力，阻碍金属液的流动和充填，改变了金属液的充型形态。消失模铸造充型过程中，金属液是从内浇道处为中心扩散式向前充填，充型较为平稳，避免了金属液的飞溅、液流冲击等。相比较而言，消失模铸造的充型较平稳。
② 不同的浇注位置对消失模铸造的充型过程具有一定的影响。根据不同的铸件结构，要选择合适的浇注位置进行浇注。通过模拟铸铁件各个浇注位置的充型形态，发现采用底注式浇注系统，泡沫模样的退让与分解气体的逸出方向一致，受到的气隙阻力小，金属液得到一定的缓冲后层层充入铸件型腔。
③ 以底注雨淋式浇注系统为基础，采用不同浇道比例模拟铸铁件的消失模铸造充型过程，当采用封闭式浇注系统时，内浇口的充型速度较大，内浇口始终呈现充满状态；当采用开放式浇注系统时，金属液能比较好的充满横浇道，各个内浇口的充型速度较小，能防止冲砂缺陷，金属液缓缓充入型腔，但有可能造成金属液断流的现象；当采用先封闭后开放式浇注系统后，既能保证充型前沿具有足够的金属液，又使得充型速度较为合适，当采用空心直浇道之后，充型时间还大为减少，是一种较为合适的浇注系统。
④ 以传统的浇注系统计算方法来计算消失模铸造过程的浇注系统还具有一定的局限性，本文以借鉴砂型铸造的计算方法，采用水力学公式，先计算出浇注系统的阻流截面的面积，进而根据一定的比例来计算其他组元的面积。本文采用的消失模铸造的浇道比例要比砂型铸造大一倍以上，在后续的模拟中，发现该比例是合适的。
参考文献
[1] 王新节. 汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用[J]. 铸造设备研究, 2007,1:35-41.
[2] 章丹. 消失模铸造生产及应用实例[M]. 北京：化学工业出版社, 2007, 6.
[3] 赖华清, 徐翔. 消失模铸造及其在汽车铸件生产上的应用[J]. 汽车研究与开发, 2003,4:51-53.
[4] Karel Cermak. An Appraisal of the Losthttp://www.dxlws.com/mjbylw/ Foam Process[J]. Indian Foundry Journal, 1991,5:19-22.
[5] 李增民, 李志勇. 消失模铸造的关键技术[J]. 铸造技术, 2002, 3: 23.
[6] 周贵清. 消失模模具设计特点[J]. 模具制造, 2003, 1: 41-42.
[7] 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, 12: 746-751.
[8] 赵书城. 汽车发动机缸体铸造技术[J]. 中国铸造装备与技术, 2005, 3: 7-10.
[9] 张伯明等. 缸体和缸盖的铸造[J]. 现代铸铁, 1998, 3: 22-24.
[10] 吴浚郊. 轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术[J]. 铸造技术, 2002, 5: 273-275.
15012858052
153688106
