論V型柴油機整鑄機體的生產(chǎn)工藝

翟琳陽

(中國北車集團大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021)

1 難點剖析

16RK270型柴油機整鑄機體為V型結(jié)構(gòu)（如圖1），外形尺寸為 3 640 mm×1 500 mm×1 000 mm，材質(zhì)為QT420-12。壁厚差異較大，最厚處132 mm，最薄處12 mm。對內(nèi)部質(zhì)量要求也十分嚴(yán)格，缸臺面、曲軸腔筋板、端面均要求磁粉探傷、超聲波探傷。此機體的冷卻水腔位于兩個缸套孔與凸輪軸腔下面，貫穿整個機體長度方向。性能試塊采用?25 mm×150 mm的本體附鑄試塊，并要求與鑄件最厚大部分連接。270機體可安裝凸輪軸、曲軸、動力組等附件，是為了滿足最大剛度和強度而設(shè)計的整體鑄造件。內(nèi)部通道有主機油道、冷卻水通道，因為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以機加工形狀，尺寸精度很高，機體的生產(chǎn)工藝要從以下幾個方面入手：①吊芯、合箱過程中，相對位置的尺寸精度；②澆注系統(tǒng)以及冷鐵的確定，以保證機體的內(nèi)外在質(zhì)量滿足超聲波探傷、磁粉探傷、著色探傷的要求；③鑄件的平均壁厚在30 mm～50 mm，鑄件質(zhì)量約8 t，采用本體附鑄試塊，試塊的性能要滿足MAN公司提供的機體材料BS2789:1985標(biāo)準(zhǔn)的等級要求,如表1；④化學(xué)成分的要求：w(P)≤0.10%,w(S)≤0.02%;⑤金相組織要求：石墨形狀Ⅵ級，大小4～5級，用4%硝酸酒精腐蝕，放大倍數(shù)200倍，基體鐵素體≥90%。

圖1 16RK270型柴油機整鑄機體

表1 試塊的性能要求

2 造型工藝的確定

疊箱組芯是國內(nèi)外機體類鑄件的造型工藝方案中多數(shù)采用的工藝方法。但由于該產(chǎn)品尺寸長和半框架結(jié)構(gòu)，性能需要熱處理保證，凸輪軸孔、軸孔、缸孔及橫拉螺栓相對位置要求較高，所以機體的尺寸和加工精度要求高，采用組芯的工藝方法是無法滿足的。

針對以上分析，最終設(shè)計出6箱劈模的造型工藝（如圖2）,共包括一個上箱、一個下箱、左右兩個側(cè)箱、前后兩個端箱。凸輪軸芯吊在側(cè)箱,這樣既方便了下箱與側(cè)箱合箱操作，又使凸輪軸孔和燃油泵孔中心尺寸的精確度得到保證，還可以在吊芯過程中方便的校驗空氣腔砂芯和凸輪軸腔砂芯的尺寸,從而保證空氣腔和凸輪軸腔的尺寸精度,操作難度也降低了。

2.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

由于機體結(jié)構(gòu)的特殊性和相對對稱性，選取澆注位置的原則是讓鑄件在凝固過程中采取局部順序凝固、整體同時凝固，上端厚大部分的溫度場與其它位置相平衡，引入位置不能直接沖擊砂芯，避免影響鑄件的收縮和清理。所以在缸臺面開設(shè)內(nèi)澆口，實現(xiàn)整體的底返式澆注。

圖2 6箱劈模的造型工藝

2.1.1 澆注時間t的計算

通常是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗確定澆注時間t，澆注時間t是澆注鑄件的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)之一,對于中、大件及薄壁鑄件尤其重要。澆注時間合理的話，能順利排出鑄型內(nèi)的氣體，鑄型不易被沖壞，澆不滿的情況也可避免。對于鑄件質(zhì)量大于4 000 kg的球墨鑄鐵鑄件，在澆注系統(tǒng)設(shè)計時常用澆注時間t的計算采取如下公式:

2.1.2 澆注溫度T的確定

大型樹脂砂球墨鑄鐵件,澆注溫度過高的話鑄件收縮嚴(yán)重,容易產(chǎn)生縮孔、縮松及粘砂（包括化學(xué)粘砂和物理粘砂）傾向。合理選擇澆注溫度有利于保證鑄件的質(zhì)量，我們在綜合考慮各種影響因素后，最終確定了這種機體的澆注溫度為T=1 330～1 340℃。該溫度還有利于減輕鐵液球化衰退，在型芯砂強度下降前結(jié)殼凝固，在凝固后期的膨脹補縮。這一澆注溫度效果通過現(xiàn)場生產(chǎn)實踐證明是比較理想的。

2.1.3 內(nèi)澆口截面積F內(nèi)的計算

按照流體力學(xué)原理，澆注系統(tǒng)可以近似看成是一個液體流動的管道，把鐵液作為流體，則F內(nèi)=G/；結(jié)合澆注位置、鑄件結(jié)構(gòu)及澆口箱尺寸確定：H0=1 m=100 cm；P=40 cm；C=110 cm。

內(nèi)澆口采用在大缸芯內(nèi)埋陶瓷管的方法，?25 mm內(nèi)徑，每個砂芯埋2道，8個芯合計16道內(nèi)澆口，分散引入。

2.1.4 澆注系統(tǒng)各組員截面積的確定

大型鑄件的澆注，現(xiàn)在大部分采用兩道直澆口的閘門柱塞式澆口箱，類似于漏包，有利于提高充型壓頭和撇渣等。結(jié)合機體的結(jié)構(gòu)特點，我們在查閱大量相關(guān)資料后，采用開放式澆注系統(tǒng)，各組員間比例為:F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶1.1∶1.3；所以 F直=60.8 cm2、F橫=66.8 cm2、F內(nèi)=79 cm2。在快速澆注的基礎(chǔ)上，使金屬液平穩(wěn)的在型腔內(nèi)充填是此澆注系統(tǒng)的優(yōu)點。

2.1.5 冒口與冷鐵的設(shè)計

球墨鑄鐵在共晶轉(zhuǎn)變中析出的石墨會使體積膨脹。大量的實驗表明，球墨鑄鐵本身的化學(xué)成分、鑄件大小和鑄型性質(zhì)都影響著共晶膨脹量。球墨鑄鐵凝固時的共晶膨脹力經(jīng)測定可達(dá)5.7～10個大氣壓。若外型剛度大，共晶膨脹向內(nèi)部發(fā)展，補充晶間空隙，可實現(xiàn)自補縮，減少縮松。此鑄件的材質(zhì)為球墨鑄鐵，無特大熱節(jié)，而且樹脂砂型強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于潮模砂，硬化后可達(dá)到1.0～1.5 MPa，壁厚均勻，型腔強度基本得到滿足。

該件為大型球鐵件，為了實現(xiàn)無冒口鑄造，澆注系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合同時凝固原則，能大量地輸送鐵液，使鑄件溫度分布均勻，減小不同充型部位的溫差。只考慮在個別的厚大及重要位置，使用冷鐵，調(diào)節(jié)溫度場。最后根據(jù)機體結(jié)構(gòu)的特殊性，選擇在機體上端面，每個筋板上方安置?30 mm的出氣冒口，以保證型腔內(nèi)的氣體及燃燒產(chǎn)生的氣體能夠順利排出，并且在冒口上部開設(shè)溢溜槽，在鐵液充滿冒口時，將冒口中較冷的鐵液排出。

由于機體主軸承座部分為厚大部分（厚度大于90 mm），設(shè)計要求在其兩側(cè)鉆孔，要求內(nèi)部組織致密，為保證內(nèi)在質(zhì)量，我們決定同時采用同材質(zhì)的鐵冷鐵，預(yù)埋在砂芯中作為外冷鐵，強制鐵液在主軸承座局部區(qū)域內(nèi)按糊狀凝固方式進行凝固。此工藝使得厚大部分的縮松、縮孔傾向減少，保證了主軸承座內(nèi)部組織的致密性。

2.2 計算機輔助生產(chǎn)

針對機體砂芯相對位置尺寸精度要求高，傳統(tǒng)手工制作鑄造模具精度低，復(fù)雜三維曲面模具制作時極為困難等問題，采用了CAD/CAM技術(shù)進行機體模具設(shè)計與制作。應(yīng)用Pro/E軟件高級建模和加工編程技術(shù)進行芯盒模具設(shè)計和加工編程，在此基礎(chǔ)上，使用五軸數(shù)控加工中心對芯盒進行數(shù)控加工。生產(chǎn)實踐證明，經(jīng)機加工的芯盒尺寸精度遠(yuǎn)高于手工制作，為機體整體尺寸達(dá)到CT10級提供了必要條件。

工藝方案確定后，我們采用MAGMA軟件對確定的機體工藝進行模擬分析，鐵液流動見圖3和圖4，鐵液凝固情況見圖5和圖6。澆注系統(tǒng)采用底注式澆注，因此從流動的狀態(tài)來看，金屬液從鑄件的底面平穩(wěn)地上升，特別是在澆注位置的下部，油管、空氣腔、水腔三部位重疊區(qū)域，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬液沒有直流通道。但因為內(nèi)澆口布置比較合理，流動狀態(tài)（60%以前）十分平穩(wěn)，沒有紊亂流動的跡象,所以就避免了氣孔、冷隔紋等鑄造缺陷的出現(xiàn)。上半部分流動通道暢通，金屬液填充得更加穩(wěn)定。由機體凝固過程中不同時段的溫度場我們可看到，機體的凝固在整體上是由下到上的順序凝固，而在個別厚大位置是糊狀凝固。在橫拉螺栓與輔板和拉筋的三維交叉點中心，以及其他若干有縮松傾向的位置，增加隨型冷鐵，再次模擬分析，無明顯的缺陷存在。

圖3 機體流動90%

圖4 機體流動100%

圖5 機體凝固75%

圖6 機體凝固100%

3 熔煉工藝的確定

3.1 爐料的選用

選用國內(nèi)較好的本溪生鐵，干擾元素較少，錳、磷、硫含量低，鐵液熔煉生鐵選用標(biāo)準(zhǔn)：w(Mn)≤0.3%,w(S)≤0.03%，w(P)≤0.07%；回爐料選用球墨鑄鐵舊料，廢鋼選用碳素鋼，銹蝕厚度不得超過1 mm。

3.2 鐵液化學(xué)成分的控制

碳：碳促進石墨化，減小白口傾向，減少滲碳體、珠光體、三元磷共晶含量，增加鐵素體含量，但含碳量過高易引起石墨漂浮、惡化力學(xué)性能的問題。

硅：硅明顯促進石墨化，但硅含量過高增加脆性，降低延伸率，降低常溫沖擊韌度，提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，硅量要控制在一個較低的水平。

錳：錳量增大能引起珠光體含量增多，使韌性降低，沖擊韌度降低，含量越低越好。

磷、硫：都是有害元素，磷量過高惡化力學(xué)性能，強烈降低沖擊韌度，尤其是低溫韌性，硫量消耗稀土和鎂量，產(chǎn)生夾渣，含量越低越好。

銅：銅固溶強化鐵素體，少量的銅主要作用是提高基體組織的致密性，改善熱處理狀態(tài)的沖擊韌度，明顯改善斷面組織均勻性。

殘留稀土和鎂量：含量越高，縮松傾向和夾渣缺陷越大，所以在保證球化效果的前提下，盡量降低殘留稀土和鎂的含量。

根據(jù)以上化學(xué)成分的影響綜合考慮，化學(xué)成分設(shè)定在以下范圍內(nèi)：w(C):3.65%～3.75%，w(Si):2.5%～2.65%，w(Mn)＜0.3%，w(S)≤0.025%，w(P)≤0.10%，w(Cu)：0.15%～0.25%，w（RE）：0.02%～0.05%，w（Mg）：0.03%～0.06%。

3.3 球化和孕育處理

生產(chǎn)高韌性球墨鑄鐵，球化劑和孕育劑的選用及處理方式起到很大的作用。球化劑選用稀土鎂球化劑（Mg含量在7%左右，RE含量在3%左右，Si含量在40%左右），加入量在1.2%～1.3%，球化處理方式采用普通沖入法，選用堤壩式鐵液包，在堤壩的一側(cè)加入球化劑并壓緊。孕育劑選用兩種：硅鐵（w(Si):75%左右）和硅鋇復(fù)合孕育劑，硅鐵孕育劑加在鐵液包內(nèi)，覆蓋在球化劑上面，加入量為0.7%～0.9%，硅鋇復(fù)合孕育劑進行多次孕育使用，在包內(nèi)加1/2，在鐵液反應(yīng)結(jié)束后加1/4，在澆注之前在水口箱中加1/4，總加入量為0.4%～0.6%。經(jīng)過球化和多次孕育處理，使球墨鑄鐵的延伸率穩(wěn)定提高。

4 熱處理

鑄態(tài)下的試塊經(jīng)檢測，達(dá)不到材質(zhì)要求，所以我們采用高溫退火的熱處理方式。高溫退火熱處理的目的是獲得沒有碳化物的鐵素體組織，消除鑄件中的殘余應(yīng)力，獲得所要求的機械性能。熱處理曲線見圖7。

圖7 熱處理曲線

5 檢測結(jié)果、結(jié)論

經(jīng)檢驗,鑄件外觀表面質(zhì)量良好,內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良,重要位置和厚大部分均無超限縮孔縮松現(xiàn)象；鑄件質(zhì)量偏差也符合GB/T11351—1989的標(biāo)準(zhǔn)要求。整臺機體的尺寸公差達(dá)到了GB6414—1986中的CT10，鑄造工藝中給定的加工量完全能夠滿足加工要求。

5.1 力學(xué)性能及金相組織

按照規(guī)定的熔煉工藝要求進行操作，澆注的前五臺機體本體試塊經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能及金相組織見表2。

表2 本體試塊經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能及金相組

根據(jù)統(tǒng)計表看出,前五臺機體的力學(xué)性能及金相組織均達(dá)到或超過設(shè)計要求（QT420-12），完全達(dá)到了預(yù)計效果，滿足使用要求。

5.2 無損探傷

鑄件在毛坯狀態(tài)進行了超聲波檢測，粗加工后進行了磁粉和著色檢測；全部加工完成后進行了射線探傷和水壓試驗。經(jīng)檢測完全達(dá)到驗收標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 結(jié)論

根據(jù)鑄件的實際生產(chǎn)情況及檢測結(jié)果，說明在工藝設(shè)計過程中所確定的各種參數(shù)，工藝方法是完全符合生產(chǎn)與設(shè)計要求的。

[1]中國工程機械學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊（第1卷）:鑄鐵[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[2]陳琦,彭兆第.鑄件配料手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[3]安繼儒,田龍剛.金屬材料手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[4]劉愛軍.16 PA6-280柴油機機架樹脂砂鑄造工藝及裝備的研究[D].大連:大連交通大學(xué),2012.