球墨鑄鐵氣缸套鑄造工藝優(yōu)化

1 引言

氣缸套作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)向高速、大功率、高爆壓、低排放、高性能等方向發(fā)展，對(duì)氣缸套的各種性能提出了更高的要求

。在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程，氣缸套的內(nèi)壁作為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦工作面，需有高強(qiáng)度，耐高溫，耐摩擦等特性，因此氣缸套的可靠性及壽命對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命至關(guān)重要。球墨鑄鐵以其優(yōu)良的力學(xué)性能及抗穴蝕性能在各主機(jī)廠得到了廣泛應(yīng)用。然而，我公司在通過(guò)水冷式金屬型臥式離心鑄造工藝生產(chǎn)球墨鑄鐵氣缸套時(shí)發(fā)現(xiàn)在鑄件壁厚處出現(xiàn)白口組織，這種缺陷稱之為反白口。反白口缺陷是一種隱藏在球墨鑄鐵鑄件內(nèi)部的缺陷，它會(huì)降低鑄件力學(xué)性能，增加鑄件機(jī)械加工難度，降低刀具壽命，直接影響鑄件質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。反白口的形成主要與球墨鑄鐵的化學(xué)成分偏析、鐵液的孕育效果及鑄件冷卻條件等因素有關(guān)

。

學(xué)生理解運(yùn)用，逐步完善表2；對(duì)比3、4號(hào)試管，分析得出“酶具有高效性”；通過(guò)兩兩對(duì)比，分析歸納得出實(shí)驗(yàn)中涉及到空白對(duì)照、條件對(duì)照、相互對(duì)照三種對(duì)照實(shí)驗(yàn)，并知道設(shè)計(jì)第一組常溫作為空白對(duì)照組是為了控制無(wú)關(guān)變量，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更科學(xué)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論更準(zhǔn)確，從而深層次理解“對(duì)照原則”和“單一變量原則”。因此，通過(guò)以上問(wèn)題的討論，學(xué)生不僅理解變量、對(duì)照實(shí)驗(yàn)等概念和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，而且學(xué)會(huì)設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，掌握控制變量的方法，形成科學(xué)思維。

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為離心鑄造工藝設(shè)計(jì)人員提供了探索離心鑄造充型過(guò)程和凝固規(guī)律的新途徑

。雖然目前的鑄造模擬軟件對(duì)臥式離心鑄造過(guò)程的模擬還不成熟，與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程還存在一定的差距，但其以開(kāi)發(fā)周期短、研究成本低、工藝參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，在指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)及工藝改進(jìn)過(guò)程中起到越來(lái)越重要作用。本文對(duì)氣缸套鑄件凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)研究氣缸套鑄件充型后的凝固規(guī)律、溫度場(chǎng)、固液相分布等問(wèn)題，確定了氣缸套鑄件出現(xiàn)反白口缺陷的位置，為工藝優(yōu)化改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

增值稅是對(duì)商品生產(chǎn)、流通、勞務(wù)服務(wù)中各個(gè)環(huán)節(jié)的新增價(jià)值或商品的附加值征收的一種流轉(zhuǎn)稅[5]，與以商品勞務(wù)的全額為計(jì)稅依據(jù)的營(yíng)業(yè)稅相比具有避免重復(fù)征稅的優(yōu)點(diǎn)。在增值稅下，同一種商品勞務(wù)只要最終售價(jià)相同，不管經(jīng)過(guò)多少流通環(huán)節(jié)，其總體稅負(fù)都相同，從而有利于促進(jìn)社會(huì)專業(yè)化分工，避免商品勞務(wù)在多環(huán)節(jié)流轉(zhuǎn)中發(fā)生價(jià)格扭曲，提高服務(wù)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)水平。

2 初始鑄造工藝模擬分析

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

臥式離心鑄造的充型過(guò)程屬于帶有自由表面、粘性、不可壓縮、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。因此流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)符合連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。充填過(guò)程的連續(xù)方程及 Navier-Stokes方程如下

：

(1)連續(xù)性方程：

(1)

(2)

-

方程：

(2)

2.4.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算離心轉(zhuǎn)速

式中

-模具轉(zhuǎn)速(r/min)，

-重力系數(shù)，

-鑄件內(nèi)表面半徑(m)，一般重力系數(shù)取40～110。計(jì)算得到此鑄件澆注轉(zhuǎn)速范圍為840～1380r/min，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)取鑄件的澆注轉(zhuǎn)速為1200r/min。

一般來(lái)說(shuō)，同課異構(gòu)有兩種形式：一是同一個(gè)文本由不同的執(zhí)教者進(jìn)行施教，組織課堂教學(xué)，即多人同課異構(gòu)；二是同一個(gè)文本由同一個(gè)執(zhí)教者進(jìn)行施教，在不同的教學(xué)班級(jí)，通過(guò)不同的構(gòu)思和處理組織課堂教學(xué)，即一人同課異構(gòu)。

(3)

2.2 物理模型

鑄件和模具裝配圖如圖1所示，鑄件最大直徑Φ140mm，長(zhǎng)度298mm，最大壁厚19mm。鑄件毛坯及加工余量分布圖如圖2所示，內(nèi)孔單邊加工余量7-9mm，澆注端加工余量40mm，尾端加工余量20mm。

記錄液體出入量是臨床護(hù)理工作的重要部分，危重癥患者護(hù)理監(jiān)護(hù)單是護(hù)理人員依據(jù)醫(yī)生醫(yī)囑和患者病情，對(duì)危重癥患者在ICU治療期間護(hù)理過(guò)程的客觀記錄，在相關(guān)醫(yī)療事故處理中，對(duì)確保患者安全、保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的合法權(quán)益具有一定的法律意義，要求護(hù)理人員在記錄液體出入量時(shí)必須做到客觀、準(zhǔn)確、及時(shí)、真實(shí)、完整。本次調(diào)查研究周期較短，樣本量還不夠大，在今后的臨床護(hù)理工作中我們?nèi)孕枰粩嗵剿饔涗洺鋈肓看嬖诘南嚓P(guān)問(wèn)題，采取更有效的護(hù)理對(duì)策，提高記錄的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、真實(shí)性。

2.3 網(wǎng)格劃分

利用對(duì)HSrg 色彩空間中視頻幀的中值濾波結(jié)果，引入模糊理論，計(jì)算每一個(gè)色彩通道的隸屬度信息（uH，uS，ur 和ug）。隸屬度函數(shù)采用最為常用的高斯函數(shù)的變形形式，以滿足隸屬度最大值為1 的條件。相應(yīng)地，可以得到每個(gè)通道的隸屬度：

2.4 初始工藝條件和物性參數(shù)

金屬液充型流動(dòng)過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬中，金屬液不僅要符合描述流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的連續(xù)性方程和

-

方程，金屬液的流動(dòng)和凝固過(guò)程的熱傳導(dǎo)行為還遵循以下熱平衡方程

：

生產(chǎn)實(shí)踐中根據(jù)康斯坦丁夫經(jīng)驗(yàn)公式[9]計(jì)算鑄件澆注離心轉(zhuǎn)速，公式如下：

(4)

11月20日，正在菲律賓訪問(wèn)的中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平和菲律賓總統(tǒng)杜特爾特舉行會(huì)談，共同規(guī)劃了兩國(guó)關(guān)系的未來(lái)，并一致決定建立中菲全面戰(zhàn)略合作關(guān)系。中菲兩國(guó)元首共同見(jiàn)證了兩國(guó)簽署《關(guān)于共同推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)的諒解備忘錄》《關(guān)于油氣開(kāi)發(fā)合作的諒解備忘錄》等多項(xiàng)雙邊合作文件。

2.4.2 邊界條件和物性參數(shù)

氣缸套鑄件材質(zhì)為珠光體球墨鑄鐵，材料化學(xué)成分如表l所示，模具和擋板材料選用HT250。

采用水冷式多工位離心鑄造工藝，喂絲球化法，澆注時(shí)間3-5s，其余初始鑄造工藝參數(shù)和熱物性參數(shù)如表2所示。

2.5 模擬結(jié)果分析

初始工藝鑄件固液相在t=150s時(shí)的分布如圖6所示，金屬液通過(guò)熱輻射向周圍傳熱，靠近模具和擋板的金屬液因降溫較快最先凝固，由于鑄件內(nèi)表面和模具的雙向散熱，鑄件內(nèi)表面和外層溫度較低先凝固，鑄件壁厚處中間層溫度較高凝固速度較慢，最后凝固。圖6中的“A區(qū)域”即為最后凝固區(qū)域，也是極易產(chǎn)生反白口缺陷的位置，測(cè)量最后凝固區(qū)域的中心位置距鑄件內(nèi)壁距離H=7.8mm。

初始工藝鑄件溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖4所示，由溫度場(chǎng)模擬結(jié)果可知，鑄件離心鑄造凝固過(guò)程中，鑄件外表面與保溫涂層接觸，保溫涂層與模具接觸，由于澆注初期液態(tài)金屬與模具溫差較大，鑄件的熱量很容易的傳遞到溫度較低的模具，因此鑄件外表面最先冷卻凝固。旋轉(zhuǎn)的鑄件內(nèi)表面與空氣接觸，鑄件內(nèi)壁通過(guò)空氣傳熱，造成鑄件內(nèi)表面溫度低于鑄件中間層溫度，所以鑄件內(nèi)表面不易產(chǎn)生缺陷。鑄件兩端與擋板和模具接觸，導(dǎo)致鑄件兩端比中段傳熱快，另外由于鑄件的壁厚差異，厚壁端熱量較多。因此在空冷過(guò)程中鑄件的厚壁端模具升溫較快，最終造成空冷結(jié)束時(shí)鑄件厚壁處溫度較高。在水冷過(guò)程中雖然模具溫度趨于均勻，但由于鑄件本身在壁厚處存在熱節(jié)，很難再使鑄件從外向內(nèi)依次均勻的冷卻。

關(guān)于反白口缺陷的形成機(jī)理有元素區(qū)域偏析

、孕育衰退

、晶粒游離

和特定條件下最后凝固部位冷卻速度大

等多種研究觀點(diǎn)。這些關(guān)于反白口缺陷形成原因的研究觀點(diǎn)都有相應(yīng)的理論和實(shí)踐依據(jù)，這說(shuō)明反白口缺陷的形成機(jī)理有很多種，不能用某一種理論來(lái)概括說(shuō)明，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。結(jié)合本鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和上述鑄件溫度場(chǎng)及固液相分布模擬結(jié)果可知，實(shí)現(xiàn)鑄件從外壁到內(nèi)壁的均勻冷卻，是控制鑄件缺陷位置和分布的有效方法。

2.5.2 凝固過(guò)程固液相分布分析

采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對(duì)模具、擋板、鑄件及保溫涂料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，增加保溫涂料和鑄件的網(wǎng)格密度，增加模具及擋板網(wǎng)格尺寸以減少計(jì)算量，澆注位置設(shè)于鑄件內(nèi)表面，面網(wǎng)格數(shù)99812，體網(wǎng)格數(shù)719843，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2012年12月提出了制定“八項(xiàng)規(guī)定”其“指導(dǎo)思想就是從嚴(yán)要求”。從思想上高度重視全面從嚴(yán)治黨，多次強(qiáng)調(diào)全面從嚴(yán)治黨的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，堅(jiān)決不能以形式主義的形式來(lái)反“四風(fēng)”。而且強(qiáng)調(diào)堅(jiān)持從嚴(yán)治黨，不能有初見(jiàn)成效見(jiàn)好就收的想法，必須持之以恒、善做善成。另外，相關(guān)法律法規(guī)、制度的出臺(tái)更是對(duì)全面從嚴(yán)治黨進(jìn)行了明確規(guī)定，黨員干部怎么做如何做，保持自身的廉潔，加強(qiáng)黨與人民群眾的關(guān)系，保持黨與人民群眾的血肉聯(lián)系，堅(jiān)持為人民服務(wù)。

2.5.1 凝固過(guò)程溫度場(chǎng)分析

按照初始工藝實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中反白口缺陷100倍金相照片如圖7所示，缺陷位置分布在距鑄件內(nèi)壁約7mm處，鑄造缺陷位置和最后凝固區(qū)域幾乎在同一位置，因此證明利用該固液分布模擬結(jié)果可以預(yù)測(cè)鑄造缺陷產(chǎn)生的位置，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

3 鑄造工藝優(yōu)化

初始工藝鑄件溫度場(chǎng)在t=150s時(shí)的溫度分布如圖5所示，鑄件內(nèi)層溫度為1160℃，鑄件外層溫度為1120℃，鑄件中間層溫度為1180℃，鑄件兩端溫度較低，這是由于鑄件內(nèi)壁和模具雙向傳熱造成鑄件溫度場(chǎng)呈三明治狀態(tài)分布。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，鑄件不同區(qū)域的冷卻速度與鑄件的結(jié)構(gòu)、壁厚及散熱條件都有關(guān)系。本鑄件按初始鑄造工藝生產(chǎn)時(shí)，鑄件毛坯加工余量如圖2所示，缺陷位置分布在距毛坯內(nèi)壁約7mm處，影響鑄件機(jī)械加工性能和成品質(zhì)量。根據(jù)初始工藝方案的模擬結(jié)果，最后凝固部位位于壁厚處距毛坯內(nèi)壁7-8mm處，優(yōu)化改進(jìn)方案結(jié)合以上研究觀點(diǎn)，通過(guò)增加壁厚位置冷卻水流量，降低壁厚位置保溫涂料厚度，提高壁厚部位的冷卻速度，改善鑄件冷卻順序的一致性，縮短最后凝固部位的凝固時(shí)間，消除孕育衰退的影響等措施，減少最后凝固區(qū)域距毛坯內(nèi)壁的深度，消除反白口鑄造缺陷，提高鑄件質(zhì)量和機(jī)械加工性能。

工藝優(yōu)化后鑄件溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖8所示，從圖中可知通過(guò)降低壁厚位置保溫涂料厚度，增加壁厚位置冷卻水流量，提高澆注端冷卻速度等措施，鑄件外壁最先凝固，鑄件內(nèi)壁最后凝固，實(shí)現(xiàn)了鑄件從外壁到內(nèi)壁的均勻冷卻。

優(yōu)化工藝參數(shù)后鑄件固液相在t=120s時(shí)的分布如圖9所示，測(cè)量圖中最后凝固區(qū)域的中心位置距鑄件毛坯內(nèi)壁約3.5mm。結(jié)合圖8可以看到改進(jìn)后的工藝方案鑄件的凝固順序較好，明顯優(yōu)于原工藝方案。按照模擬工藝改善措施對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改善，并對(duì)改進(jìn)后的工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，生產(chǎn)后對(duì)鑄件進(jìn)行金相檢測(cè)，鑄件只檢合格率在99.6%以上，成品合格率100%，與模擬結(jié)果相吻合。

(1)利用鑄造模擬軟件分析了原鑄造工藝的溫度場(chǎng)和固液相分布規(guī)律，確定了鑄件最后凝固區(qū)域的位置，模擬結(jié)果與實(shí)踐生產(chǎn)缺陷位置相吻合，證明了模擬結(jié)果的正確性，為鑄造工藝優(yōu)化改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支撐。

(2)結(jié)合模擬結(jié)果對(duì)鑄件壁厚位置的冷卻水流量和保溫涂料厚度進(jìn)行調(diào)整，縮短了最后凝固部位的凝固時(shí)間，消除了孕育衰退的影響，減少了最后凝固區(qū)域距鑄件內(nèi)壁的深度，消除了鑄件反白口缺陷，提高了鑄件質(zhì)量和機(jī)械加工性能，并通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的正確性。

高中物理合作學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用，是借助新思維和新教學(xué)方法，在師生之間和生生之間建立面對(duì)面學(xué)習(xí)氛圍，實(shí)現(xiàn)師生間、學(xué)生間紐帶關(guān)系建立.合作學(xué)習(xí)在高中物理課堂的建設(shè)實(shí)踐中，通過(guò)正確認(rèn)識(shí)教學(xué)本質(zhì)，解放課堂，廣泛參與和指導(dǎo)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了“教學(xué)相長(zhǎng)”.在小組學(xué)習(xí)的單元空間內(nèi)，以動(dòng)態(tài)化督促學(xué)習(xí)，克服弊端，互助糾錯(cuò)和相互作用，實(shí)現(xiàn)了普遍課堂上的教學(xué)新認(rèn)知，也對(duì)學(xué)生物理學(xué)習(xí)和其他學(xué)科的學(xué)習(xí)具有良性的輔助價(jià)值.

(3)通過(guò)鑄造工藝模擬，了解了離心鑄造凝固規(guī)律，為后續(xù)減少鑄件加工余量，提高材料利用率提供了理論依據(jù)。

(4)本文介紹的方法可以為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)依據(jù)，能有效降低工藝開(kāi)發(fā)周期和降低工藝改進(jìn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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