1 绪论
1.1 国内外现状综述
经过几十年的努力，铸造计算机模拟仿真已在工程上获得广泛应用。第一个铸造CAE商品化软件于1989年在德国国际铸造博览会上展出，以温度场分析为核心内容。1990年以来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增加，多数软件都增加了流场分析功能，但主要都在工作站上运行（如MAGMA等）。铸件充型凝固过程的数值模拟及缩孔缩松预测、应力分析等方面的研究及实用化在国外都取得了很大进展。国内虽起步较晚，但进展迅速，目前国内开发的商品化软件的部分功能已与国外软件相当，可以满足铸造工厂的一般需要。国内外铸造CAE商品化软件的功能正向低压铸造、压力铸造及熔模铸造等特种铸造方面发展。铸造CAE技术的应用在国内外已越来越受到重视。
近五年来美国铸造工业采用CAE技术以指数曲线的速度迅速增长。欧洲及日本已有约10％的铸造工厂采用这项技术，英国铸造业为提高国际竞争力最近向企业提出了多项要求，其中明确提出了“无模拟则无销售”的原则。工业发达国家在铸造CAE技术的研究与开发方面投入的费用已超过数千万美元，相继开发了一批实用化商品化软件包，但价格昂贵。近些年国内铸造企业对铸造CAD/CAE技术也日益重视。国内有多家院校与研究所，如清华大学、华中理工大学、华北工学院、沈阳铸造研究所等单位对铸造CAE技术也进行了研究。
1.1.2 缸盖铸造工艺的国内外现状
发动机缸体缸盖的制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一,进而也在很大程度上代表了一个国家汽车工业的发展水平。不断提高发动机功率、降低燃油消耗量和减少尾气排放是汽车工业自身发展的内在需求，也是外部环境的客观要求。随着汽车轻量化的要求，缸盖材料逐渐由钢铁材料过度到铝合金材料,而镁合金缸盖也开始使用。铝合金材料的选用使发动机乃至整车的重量得到了有效减轻，促进了汽车工业的发展。像美国的通用汽车GM公司、德国的宝马汽车BMW公司、意大利的法塔铝FATA消失模铸造公司和法国的雪铁龙汽车公司均采用了消失模铸造工艺来生产铝合金发动机缸盖以改善发动机乃至整车的综合性能并取得了显著的效果。
铝合金气缸盖多采用低压压铸、高压压铸（包括真空压铸）、金属型重力铸造以及很有发展前途的半固态压铸成形技术。其主要成形工艺有两种，一是以欧美为代表的重力铸造成形工艺，上海皮尔博格、南京泰克西等公司选用意大利法塔公司重力铸造机生产铝气缸盖；二是以日韩为代表的低压铸造成形工艺，东风日产发动机分公司铝压铸车间、广东肇庆铸造公司、天津丰田铸造公司都选用日本新东等公司的低压铸造机生产铝气缸盖。铝缸盖铸造方法的选择是由多方因索决定的， 由于各国家的不同历史背景和生产条件，而且不同类型的发动机缸盖结构形状也千差万别，铝缸盖厂广泛采用着多种铸造工艺。目前铝缸盖的铸造方法仍然以金属型重力铸造为主要发展方向, 但不应该简单片面地将其定义为通用最佳工艺。实践证明，气化模铸造和砂型低压铸造工艺在生产缸盖等复杂铝铸件方面拥有着巨大的发展潜力，特别是气化模铸造工艺，随着该技术的进一步发展，似乎具有取代传统的低压铸造和金属型铸造的可能，但这些新工艺要完全走向成熟得到普遍应用还尚需时日。
1.1.3 模具热平衡的研究与应用现状
在铸造生产中，为了获得质量稳定的铸件，必须控制模具内部温度场的合理分布，并使其在生产过程中相对稳定，也就是在生产过程中使模具达到热平衡。对于模具的热平衡及铸造过程中模具内部的温度分布，国内外学者进行了大量的研究。在国外，Lee[12]等研究了浇注温度、涂料层等对铸件与模具接触表面温度场的影响；Draper和Kasier等则分析了模具预热温度的重要性；Anderson[15]用边界元法模拟压铸过程，计算了压铸型腔的温度分布，认为只有型腔表面温度对铸件质量有影响，而与其他位置温度分布无关；Sergey[16]等用有限元法模拟了金属型铸造中的模具温度分布；Sulaiman等[17]模拟了铸造过程中金属充型过程与模具温度分布，结果与现有文献的数据比较吻合；Radovic和Lalovic则进行了钢锭凝固过程的数值模拟，并与实验进行了对比，结果也吻合良好；也有学者研究了浇注温度对模具表面温度和铸件性能的影响，试图寻找最为合理的浇注温度[19]。在国内，吴亮等[20]应用分数步长法进行了压铸过程温度场数值模拟的研究；上海交通大学采用有限元法模拟压铸模的温度场，将模具任一截面上不同冷却时间的温度场用图形方式显示出来，运行结果与红外热成像仪实测温度场接近；贾良荣、张为善等研究了用差分法对压铸过程铸件和模具温度场的模拟；李朝霞等在得到实验测量数据验证的情况下，模拟计算了浇注温度、模具预热温度等工艺参数对压铸模具温度场的影响，并根据模拟结果分析选取了较优工艺参数；闫洪等对压铸过程中模具的温度分布进行了数值模拟，并对铸造缺陷进行了预测，预测结果与实际吻合良好；陈立亮对铝合金低压铸造的整个生产过程进行了模拟，其中包括模具的热平衡和多周期生产中的模具温度变化。
2 低压铸造工艺及数值模拟
2.1 低压铸造工艺及其特点
低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺规范包括充型、增压、铸型预热温度、浇注温度，以及铸型的涂料等。低压铸造的工艺过程（见图 2.1）是：在密封的坩埚（或密封罐）中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流回坩埚，再由气缸开型并推出铸件。低压铸造是介于重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法，是吸收了重力铸造中底注平稳充型和压力铸造中铸件在压力下结晶凝固的优点，避免了重力浇注时浇口杯中金属液的翻腾、飞溅及充型过程中液面上升速度不稳定的缺点而发展起来的。与传统的重力铸造相比,低压铸造生产的铸件易获得良好的冶金质量,组织致密,抗拉强度和延伸率高。该方法可以生产质量高、壁薄的复杂铸件，因而受到广泛关注，并广泛应用于生产。
3 3S4G 发动机铝缸盖低压铸造工艺..................... 31-41
3.1 气缸盖实体工艺造型................... 31
3.2 数值模拟前处理 ...................31-34
3.3 铸造模拟仿真试验................... 34-40
3.3.1 铸件充型过程中数据模拟................... 34-37
3.3.2 铸件凝固过程中数据模拟................... 37-40
3.4 本章小结................... 40-41
4 充型与缩孔缺陷预测 ...................41-46
4.1 引言 ...................41
4.2 3S4G 缸盖充型缺陷预测及分析................... 41-42
4.3 3S4G 缸盖缩孔缺陷预测及分析................... 42-45
4.3.1 3S4G 缸盖缩孔缺陷预测................... 42-43
4.3.2 3S4G 缸盖缺陷分析................... 43-45
4.4 缺陷解决方法 ...................45
4.5 本章小结 ...................45-46
5 3S4G 发动机铝缸盖低压铸造工艺优化................... 46-59
5.1 引言 ...................46
5.2 3S4G 缸盖低压铸造工艺优化................... 46-57
5.2.1 充型过程工艺参数优化 ...................46-48
5.2.2 凝固过程工艺参数优化................... 48-57
5.3 最优工艺参数选择................... 57-58
5.4 本章小结................... 58-59
结论
本课题主要是利用计算机模拟技术优化3S4G缸盖的铸造工艺，研究模具壁厚对凝固平衡的影响，通过模拟研究，得出了以下结论：
① 采用给定的工艺参数对3S4G气缸盖进行数值仿真研究，结果表明：铸件充型较平稳，但在金属液进入型腔时产生喷射现象；铸件基本实现了向浇口方向顺序凝固。对铸件进行缺陷预测，结果表明在铸件底部近浇口部位易产生缩孔缺陷，此缺陷部位与实际浇注中铸造缺陷发生的部位一致。
② 在充型阶段，将升液时间延长至12s，使升液平缓，保证了金属液体进入浇口时不再出现喷射现象；将保压压力增至1.5×105Pa，使补缩效果增强，保证所得铸件的内部组织更加致密。
③ 在上模设置10根水冷管，侧模设置3根水冷管，下模设置2根风冷管，保证了铸件内部实现从上而下金属液冷却速度由大变小，温度梯度表现为上部温度低下部温度高，有效的实现了金属液的顺序凝固，保证最后凝固区域逐渐像浇口处推移。
④ 将上模预热至250℃，下模预热至390℃，使下模预热温度高于上模预热温度，建立合理的温度梯度，从而实现顺序凝固。
⑤ 在浇口处加保温套，使浇口成为最后凝固区域，保证铸件内部无缩孔缩松缺陷。
⑥ 通过对模具热平衡的研究，单循环时，在铸件壁厚一定的条件下，随着模具壁厚（3mm～18mm）的增加，温度差值逐渐减小，模具局部冷却能力上升，可以通过增大模具壁厚的办法提早实现凝固平衡。
⑦ 多循环时，在铸件壁厚一定的条件下，随着循环次数及模具壁厚（3mm～18mm）的增加，温度差值逐渐增大，模具的局部冷却能力下降，可以通过减小模具壁厚的办法提早实现凝固平衡。
⑧ 单循环过程中，模具的冷却能力主要靠自身的蓄热能力来完成，而通常状态下模具越后其蓄热能力愈强，在模拟结果中表现为随着模具壁厚的增加，模具冷却能力增强；多循环过程中，模具内部逐渐建立起稳定的温度梯度，此时模具的冷却能力主要靠模具的导热能力来完成，当然通常状态下模具壁厚越薄其导热能力愈强，因此在模拟结果中表现为随着模具壁厚的增加，模具的冷却能力下降。
参 考 文 献
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