大型船用中速柴油機(jī)機(jī)身均衡凝固工藝設(shè)計(jì)

晁革新，趙悅光(陜西柴油機(jī)重工有限公司,陜西興平 713105)

大型船用中速柴油機(jī)機(jī)身均衡凝固工藝設(shè)計(jì)

晁革新，趙悅光
(陜西柴油機(jī)重工有限公司,陜西興平 713105)

研究了一種大型船用中速柴油機(jī)高牌號(hào)孕育灰鑄鐵機(jī)身鑄造工藝，根據(jù)均衡凝固原理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，采用大斷面的橫澆道，分散的內(nèi)澆道，可以起到擋渣能力，減少熱節(jié)，利用石墨化膨脹進(jìn)行補(bǔ)縮。結(jié)果表明，合理的鑄造工藝設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)大型柴油機(jī)機(jī)身鑄造成型，不僅提高了鑄件成品率，而且降低了鑄件的成本，為今后鑄造工藝設(shè)計(jì)提供了參考。

柴油機(jī)機(jī)身；均衡凝固；澆注系統(tǒng)；鑄造工藝

大型船用中速柴油機(jī)機(jī)身是柴油機(jī)的各種零件的安裝體和支撐體，是柴油機(jī)關(guān)鍵零件之一，其材質(zhì)為HT300，凈重19 000 kg，鑄件最大外型輪廓尺寸為6 500 mm×1 885 mm×1 440 mm，需要一次澆注23 000 kg鐵液，幾何尺寸較大，形狀比較復(fù)雜。機(jī)身主要壁厚較薄，最大和最小壁厚相差懸殊，尺寸精度以及內(nèi)在質(zhì)量要求高，機(jī)身重要部位須進(jìn)行超聲波和X射線探傷，機(jī)身水腔、氣腔和滑油總管須進(jìn)行密封性試驗(yàn)等，壁厚差異大，孤立熱節(jié)多，凝固收縮不均勻，是鑄造的難點(diǎn)。我們根據(jù)均衡凝固的有限補(bǔ)縮、膨脹及動(dòng)態(tài)疊加的原理，對(duì)澆冒系統(tǒng)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，一次澆注出合格的鑄件。均衡凝固理論認(rèn)為：灰鑄鐵的石墨生長(zhǎng)是不受抑制的共生生長(zhǎng)，形核和生長(zhǎng)之間的差別很小，凝固方式更趨于逐層凝固，石墨化膨脹相對(duì)提前，有利于脹縮之間的早期疊加，機(jī)身鑄件形狀較復(fù)雜，凝固過(guò)程中最初產(chǎn)生的封閉區(qū)往往隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行分裂成為多個(gè)封閉區(qū)，即一個(gè)封閉區(qū)派生出幾個(gè)封閉區(qū)。相應(yīng)地，各孤立區(qū)也存在著派生關(guān)系，運(yùn)用均衡凝固的觀點(diǎn)，對(duì)各個(gè)封閉區(qū)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

1　造型工藝設(shè)計(jì)

機(jī)身鑄件結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)腔和外壁幾何形狀都比較復(fù)雜，從確保機(jī)身鑄件質(zhì)量、節(jié)約做模型及配箱操作方便等因素考慮，三開(kāi)箱造型即下箱、中箱和上箱。下箱做模型；中箱不做模型，配箱完畢套上中砂箱，在砂芯周圍填入樹(shù)脂砂；上箱只做澆冒系統(tǒng)模型，全部機(jī)身鑄件均在一個(gè)鑄型內(nèi)。下箱與中箱的結(jié)合面及中箱與上箱的結(jié)合面即為鑄型的分型面。上分型面為機(jī)身鑄件頂部底腳板平面，下分型面要從機(jī)身鑄件本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝裝備（如砂箱）等因素考慮，這樣下芯方便，砂芯安放牢固，易于檢查缸孔、凸輪軸的下芯的尺寸精度，避免在該部位產(chǎn)生夾雜等鑄造缺陷。

1.1澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于樹(shù)脂砂大型復(fù)雜鑄件，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則是：快（大流量）、穩(wěn)（防止飛濺和紊流）、順（金屬液流方向有利于排氣和熔渣的排出）、活（無(wú)死角）、封閉、底注、保證壓頭。結(jié)合鑄鐵件均衡凝固理論，采用大斷面的橫澆道，薄、短、小而分散的多個(gè)內(nèi)澆道，可以起到提高澆注系統(tǒng)的擋渣和重要部位的補(bǔ)縮能力，有利于熱量的均勻分布，減少熱節(jié)，在鑄件膨脹凝固開(kāi)始時(shí)，內(nèi)澆口能迅速凝固封閉，以充分利用鐵液本身的石墨化膨脹來(lái)進(jìn)行補(bǔ)縮。這種澆注形式，鐵液液面上升平穩(wěn)，熔渣易上浮，型腔排氣暢通，能保證鑄件質(zhì)量。機(jī)身鑄件一般高度較大，為了確保機(jī)身上半部分的質(zhì)量，要采用階梯半封閉式澆注系統(tǒng)，以下層內(nèi)澆口底注為主，上層內(nèi)澆口頂注為輔，并采用定量澆口杯拔塞澆注，機(jī)身鑄造工藝見(jiàn)圖1。

按照大孔出流理論對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，澆注系統(tǒng)最小阻流截面的計(jì)算公式：

圖1　機(jī)身鑄造工藝圖

其中G為鑄件液體質(zhì)量。鑄件毛坯質(zhì)量為19 t，鑄件液體質(zhì)量為23.4 t。

因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)采用上下兩層內(nèi)澆道，估算當(dāng)下層澆道澆注總液體質(zhì)量2/3時(shí)，液面上升到曲軸軸承座位置，根據(jù)這樣的設(shè)想分別計(jì)算上下兩層的澆注系統(tǒng)的最小阻流截面。

（1）下層澆注系統(tǒng)的計(jì)算

（a）下層澆注系統(tǒng)靜壓頭的計(jì)算

根據(jù)底注式的靜壓頭計(jì)算公式：hp=H0-C/2

式中，hp為靜壓頭高度，H0為鑄型底面到澆口位置的高度，C為鑄型高度。

定量澆口杯的尺寸為：4 700×1 400×750（mm），直澆口連接用砂箱（兩層）尺寸為：2 500×1 500×（250+250）（mm）；

H0=600+250×2+380+（1 885+10+15）×1.006

=3 401.46（mm）

C=（1 885+10-500）×1.006=1 403.37（mm）

將以上數(shù)據(jù)代入底注式計(jì)算公式，得：

hp1=2 699.77（mm）≈2 700（mm）

（b）該系統(tǒng)為三單元澆注系統(tǒng)，按大孔出流理論選擇澆口比

（c）下層澆注時(shí)間的計(jì)算

根據(jù)公式t=S（δm）1/3，其中選取S=1.0，δ=25 mm，代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)：

t1= 1.0×（25×23 400×2/3）1/3=73（s）

式中，t為充型時(shí)間，t1為下層澆注系統(tǒng)充型時(shí)間，S為鑄件壁厚系數(shù)，δ為鑄件主要壁厚。

（d）下層澆注系統(tǒng)最小阻流截面的計(jì)算

將以上計(jì)算所得的數(shù)據(jù)代入公式（1），則：

F阻1=（23 400×2/3）/（0.31×0.48×73·（270）1/2

=15 600/178.47=87.4（cm2）

設(shè)想下層共有14個(gè)內(nèi)澆口，則每個(gè)內(nèi)澆口的截面積為6.24 cm2

下層內(nèi)澆口采用矩形，厚度為15 mm，則寬度為41.6 mm，因?yàn)闃?shù)脂砂本身的發(fā)氣量較大，要求澆注的時(shí)間盡可能的縮短，則寬度圓整為50 mm，因此圓整后的每個(gè)內(nèi)澆口的截面積為7.5 cm2，下層內(nèi)澆口的總截面為105 cm2。

澆注系統(tǒng)各組元斷面積比為∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直= 1∶（1.7～2.0）∶（1.3～1.6），根據(jù)實(shí)際情況選取∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直=1∶1.9∶1.5，下層澆注系統(tǒng)的截面比為∑F內(nèi)1∶∑F橫1∶∑F直1=105∶199.5∶157.5。

兩端直澆道的直徑為: 2×1/4×3.14×R12=157.5，得出：R1=10（cm），圓整后的直澆道面積為：2×1/4×3.14×102=157 cm2。

兩側(cè)橫澆道的形狀為梯形: 4×（70+80）×80/2=240 cm2

圓整后實(shí)際的澆注系統(tǒng)尺寸為：

∑F內(nèi)1∶∑F橫1∶∑F直1=105∶240∶157 =1∶2.28∶1.5

（2）上層澆注系統(tǒng)的計(jì)算（a）上層澆注時(shí)間的計(jì)算根據(jù)公式t=S（δm）1/3，其中選取S=1.0，δ=25 mm，代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，得:

t1=1.0×（25×23 400×1/3）1/3=57.98≈58（s）（b）上層澆注系統(tǒng)靜壓頭的計(jì)算

根據(jù)頂注式靜壓頭計(jì)算公式，得hp=H0

H0=600+250×2+380=1 480（mm）=148（cm）（c）上層澆注系統(tǒng)最小阻流截面的計(jì)算

將以上計(jì)算所得的數(shù)據(jù)代入公式（1），則：F阻2=（23 400×1/3）/（0.31×0.48×58 （148）1/2）

=7800/104.94=74.3（cm2）

上層共有14個(gè)內(nèi)澆口，則每個(gè)內(nèi)澆口的截面積為5.31 cm2。

上層內(nèi)澆口采用矩形，寬度為15 mm，則長(zhǎng)度為35.4 mm（圓整為40 mm），圓整后的每個(gè)內(nèi)澆口的截面積為6 cm2，上層內(nèi)澆口的總截面為84 cm2。

根據(jù)實(shí)際情況，上層澆注系統(tǒng)各組元斷面積之比為∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直=1∶1.9∶1.5，則澆注系統(tǒng)的截面比為∑F內(nèi)2∶∑F橫2∶∑F直2= 84∶159.6∶126。

兩端直澆道的直徑為:2×1/4×3.14×R12=126，得出：R1=8.95（cm）（圓整：9 cm），圓整后的直澆道面積為：2×1/4×3.14×92=127.17（cm2）。

兩側(cè)橫澆道的形狀為梯形，4×（60+70）×70/2 =182（cm2）。

圓整后實(shí)際的澆注系統(tǒng)尺寸為：

∑F內(nèi)2∶∑F橫2∶∑F直2=84∶182∶127.17

=1∶2.16∶1.51

1.2冒口的設(shè)計(jì)

考慮到機(jī)身鑄件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)要求，為提高牌號(hào)HT300鑄鐵的性能，鐵液中加入了一些合金，收縮傾向大，必須加冒口來(lái)補(bǔ)縮。冒口的計(jì)算采用控制壓力冒口，其計(jì)算公式MT=0.8Ms，冒口頸模數(shù)M =0.6 MT，也可以寫成M=0.48Ms。

（1）曲軸中心線部位球形暗冒口的計(jì)算

鑄件關(guān)鍵部分為主軸承螺栓孔搭子，近似于140×140的正方體，其模數(shù)Ms=14/4=3.5，冒口體模數(shù)MT=0.8Ms=2.8，冒口頸模數(shù)M=0.6MT=1.68。球形冒口體MT=a/6，則a=6MT=16.8，取增加系數(shù)f1=1.2，則冒口體直徑D=1.2×16.8=20.16（cm），實(shí)際采用φ200 mm球形暗冒口；方形冒口頸M=b/4，b=4M=6.72，取縮小系數(shù)f3=0.9，則方形冒口頸邊長(zhǎng)為6.72×0.9=6.05（cm），實(shí)際采用冒口頸尺寸為60×60（mm）。

（2）底腳板位于頂部圓柱形明冒口體的計(jì)算

鑄件關(guān)鍵部分為底腳板，可看成類似σ=83 mm的平板，其模數(shù)Ms=8.3/2=4.25，冒口體模數(shù)MT=0.8Ms=3.4，冒口頸模數(shù)M=0.6MT=2.04。圓柱形冒口體MT=d/4，d=4MT=13.6，取增加系數(shù)f2=1.5，則冒口體直徑D=1.5×13.6=20.4，實(shí)際采用內(nèi)徑φ200 mm的保溫冒口套；方形有冒口頸M=b/4，b=4M=8.16，取縮小系數(shù)f3=0.8，則方形冒口頸邊長(zhǎng)為8.16×0.8=6.53（cm），實(shí)際采用冒口頸尺寸為60×80（mm）。

機(jī)身工藝中在曲軸軸瓦面上設(shè)置了14個(gè)φ200 mm球形暗冒口，冒口頸尺寸為60×60（mm）；在鑄件頂面設(shè)置了14個(gè)φ200×420（mm）圓柱形保溫冒口，冒口頸尺寸為60×80（mm），高度為25 mm。

2　鐵液的熔煉、澆注

（1）配料。在配料時(shí)，要堅(jiān)持高碳、低硅，控制硫、磷成份的原則。其中Z14鑄造生鐵30%，廢鋼（8%～10%），其余為回爐料，鐵合金：硅鐵、錳鐵等，合金料須經(jīng)250～500 ℃預(yù)熱烘干，孕育劑（FeSi75，粒度為10～30 mm，加入量為0.5%）等。

（2）熔化和澆注?？刂畦F液化學(xué)成分為wC=2.9 %～3.1%，wSi=1.4%～1.7%，wMn=0.8%～1.0%，wP＜0.15%，wS＜0.12%，將鐵液升溫到1 430～1 450 ℃，即可出爐并進(jìn)行隨流孕育處理，經(jīng)過(guò)扒渣后覆蓋草灰，當(dāng)鐵液溫度下降到1 350～1 370 ℃即可澆注。鐵液澆入型腔后，應(yīng)盡快“引火”使型腔中的氣體壓力減小，以利于金屬液的充型，減少氣孔類缺陷的產(chǎn)生。下層鐵液充型至軸承座以上位置拔起上層澆道同時(shí)充型，使鐵液盡快充滿型腔，有利于均勻型腔內(nèi)鐵液溫度，同時(shí)可利用上層澆注系統(tǒng)對(duì)機(jī)身底腳板等厚大部位進(jìn)行補(bǔ)縮。

3　結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用均衡凝固有限補(bǔ)縮、膨脹及動(dòng)態(tài)疊加的原理和鐵液的自補(bǔ)縮，實(shí)現(xiàn)大型機(jī)身鑄造，鑄件經(jīng)檢驗(yàn)幾何尺寸與輪廓尺寸正確，未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，符合圖紙技術(shù)要求及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不僅大大提高了鑄件成品率，而且降低了鑄件的成本。

［1］ 魏兵，袁森，張衛(wèi)華.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］ 陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 林勃.砂型鑄造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［4］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì).鑄造手冊(cè)第五卷鑄造工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［5］ 鄒日榮，李競(jìng)操.大型船用柴油機(jī)缸套的鑄造工藝［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2004（3）.

Proportional Solidifi cation Process Design and Practice of Large Marine Diesel Engine Airframe

CHAO GeXin，ZHAO YueGuang
（ShannXi Diesel Heavy Industry co.，LTD，Xingping 713105，Shaanxi，China）

The casting technique of one diesel engine crankcase was study in this paper. It was designed gating system based on proportional solidifi cation theory， using great cross gate and dispersive runner can be pushing off the slag and reduce hot spot， and also can feeding by graphitization expansion. the results show that reasonable casting technique can be make the large crankcase cast moulding come true， not only improved greatly recovery ratio ，but also take from cost of casting， and provide reference for gating system design in future.

Diesel engine crankcase； Proportional solidifi cation； Gating system；Casting technique

TG244;

A；

1006－9658（2015）02-0027-03

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.008

2014-10-17

稿件編號(hào)：1410-690

晁革新（1971—），男，工程師，從鑄造工藝開(kāi)發(fā)工作.