摘要
铝合金铸件因其良好的综合机械性能、低密度、高强度系数、高硬度和轻质等特点，被广泛应用于车辆、涡轮机、农业机械、航空航天等领域。发动机作为车辆驱动的核心部件，需具备良好的机械性能、疲劳强度，以期满足优异的可靠性能。铝合金作为轻量化材质的同时，还具有较高的强度、良好的韧性和铸造性能、抗疲劳性能耐磨性能好且耐蚀性能耐高温性能强等特点，因此被确定为发动机缸体的理想材料。 本文选用某2缸四冲程柴油机发动机缸体为研究对象，以ZL114A为缸体铸件的合金材料。依据发动机缸体结构特征及合金铸造性能设计出不同浇注系统充型方案，基于ProCAST数值模拟软件确定较为优异的浇注系统方案。在浇注系统确定下，基于田口设计和灰色关联性分析法对发动机缸体铸造工艺参数进行多目标优化。运用数值模拟和试验验证的方法对最优工艺参数进行评估，得到的研究结果如下： （1）通过对浇注系统进行设计，研究不同浇注系统方案对铝合金铸件的铸造性能、冷却速率及缺陷形成的影响。根据铸件结构和合金铸件性能，设计了三种浇注系统（即A、B和C），并通过ProCAST数值模拟软件进行模拟分析。结果表明，A和B的孔隙率分别为6.1%和4.24%，方案C的孔隙率为1.773%。方案A和方案B缺陷体积分别为303.48cm3和210.94cm3，方案C铸造系统缺陷体积为89.3cm3。与浇注体系A和B相比，浇注体系C的气孔率分别降低了4.33%和2.47%。与铸造系统方案A和B相比，缺陷体积分别减少了214.18cm3和121.64cm3。通过对比分析可以看出，各铸造系统方案的优异为C＞B＞A。 A、B、C三种铸造系统的冷却速率数值模拟结果表明，12个节点的平均冷却速率分别为0.6℃/s、0.72℃和0.83℃/s。通过对比分析，发现方案C的平均冷却速度比方案A和方案B分别提高了38.3%和15.3%。从数值模拟的分析结果可以看出，铸造系统方案C具有较高的冷却速率，在一定程度上可以有效细化合金的组织。数值模拟的结果表明，浇注系统方案C的成型工艺设计更优。 （2）在初始工艺的基础上，分别以合金浇注温度、充型加压速度、保压压力及保压时间4个工艺参数为影响因素，并以孔隙率和凝固时间为成型质量评价目标，基于田口设计方法设计16组正交试验，并基于灰色关联分析法进行多目标关联性分析。经灰色关联性分析结果表明，优化的工艺参数组合为：合金浇注温度700℃、充型加压速度1.2Kpa/s、保压压力65Kpa及保压时间220s。与初始工艺相比，优化工艺参数组合下的孔隙率改善了17.5%、凝固时间改善了2.85%。 （3）在最优工艺参数下对发动机缸体铸件进行试验试制与性能检测。成形铸件外观完整，表面无冷隔、裂纹、缩孔、穿透性缺陷及严重的残缺类缺陷；经CT无损检测，铸件内部未出现夹渣、裂纹及超出标准规定的缩孔缺陷，内部质量较高；经拉伸试验后，屈服强度的均值为216.4Mpa、抗拉强度的均值为235.2Mpa，满足缸体服役工况要求；经硬度检测，各高度测试点的硬度均高于100HB，均满足发动机缸体铸件表面硬度要求；经金相测试，整体上被检测三处位置的微观组织致密，均无明显疏松缩孔缺陷。 良好的试验结果表明浇注系统设计方案C及最优工艺参数组合（合金浇注温度700℃、充型加压速度1.2Kpa/s、保压压力65Kpa及保压时间220s）是本课题研究两缸发动机缸体较为理想的工艺边界，其能够满足实际的生产及缸体服役工况要求。同时课题研究所运用的灰色关联性分析方法能够以较少的试验次数得出较为理想的工艺参数组合、降低了生产试验成本，有利于产品合格率和生产效率的提高，为相关工艺优化提供理论指导。
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