WP10曲軸箱新工藝的設(shè)計開發(fā)

顧思惠，耿國芳，丁富才，王樹奎

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261001）

WP10曲軸箱新工藝的設(shè)計開發(fā)

顧思惠，耿國芳，丁富才，王樹奎

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261001）

針對WP10曲軸箱一箱兩件鑄造工藝出品率低、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低的不足，設(shè)計開發(fā)了一箱三件鑄造新工藝，并將澆注系統(tǒng)最小截面積計算公式應(yīng)用于WP10曲軸箱工藝的設(shè)計中。通過新工藝的開發(fā)與優(yōu)化，有效提高了工藝出品率，提升了生產(chǎn)效率，達到了降本增效的目的。

曲軸箱；鑄造工藝；澆注系統(tǒng)；最小截面積

WP10系列柴油機是濰柴動力在斯太爾發(fā)動機基礎(chǔ)上，采用全新設(shè)計理念開發(fā)的滿足歐Ⅲ排放法規(guī)并具有歐Ⅳ潛力的節(jié)能環(huán)保柴油機，其燃油耗、排放、噪聲、可靠性等技術(shù)指標(biāo)具有當(dāng)今世界先進水平，主要用于重型車、客車以及特種車輛等。

曲軸箱鑄件是WP10系列柴油機上的主要零件之一。起著連接氣缸體與油底殼的作用，由于高壓油路及高強度的要求，鑄件要求具有較高的致密性及氣密性，不允許存在變形、裂紋、冷隔以及砂眼、夾渣等缺陷。

1 曲軸箱產(chǎn)品特性及工藝現(xiàn)狀

1.1 曲軸箱產(chǎn)品特性

WP10曲軸箱屬于薄壁箱體類鑄件，其外形尺寸為977×360×108（mm），單件鑄件質(zhì)量為72 kg。

圖1 WP10曲軸箱毛坯

鑄件最小壁厚為5.0±0.5 mm，加工余量要求為4.0～5.0 mm，其余尺寸公差按GB/T6414-CT10執(zhí)行。

1.2 曲軸箱鑄造工藝現(xiàn)狀

目前，我廠采用“一箱兩件”的鑄造工藝（如圖2），對于我廠的砂箱尺寸（1 500 mm×1 100 mm× 400/400 mm，HWS線）來說，工藝出品率低、生產(chǎn)成本高、效率低，因此為了降本增效，曲軸箱新工藝的開發(fā)成為當(dāng)務(wù)之急。

圖2 “一箱兩件”工藝

也有公司開發(fā)了“一箱四件”鑄造工藝[1]，但由于我廠機器人承重、生產(chǎn)節(jié)拍等的限制，放棄了此工藝。經(jīng)過驗證與討論，最終開發(fā)設(shè)計了“一箱三件”鑄造工藝。

2 鑄造工藝方案設(shè)計

2.1 砂芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 主體芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證現(xiàn)有生產(chǎn)節(jié)拍，依舊采用一次下芯方式，因此新工藝設(shè)計時將三件曲軸箱排布集中在一顆砂芯上（如圖3所示）。將兩端芯頭寬度各減小16 mm，兩鑄件間距減小20 mm。雖砂芯長度增加近24%，但由于砂芯間四個凸、凹“砂銷”的定位銷設(shè)計，仍可滿足定位精度及連接強度，未出現(xiàn)變形、錯模等現(xiàn)象。

由于兩側(cè)芯頭寬度縮短，組芯螺栓桿位置空間無法滿足，因此將組芯螺桿移至鑄件瓦口處，這樣不僅滿足了組芯螺栓連接的需要，同時打箱時螺栓桿隨鑄件帶至清理工序，取代了由機械手抓取，提高了機械手打箱效率。

圖3 主體芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于一箱多件的鑄造生產(chǎn)，鑄件在砂箱內(nèi)的合理布置，可以有效提高砂箱面積利用率[2]。通過一箱三件工藝設(shè)計，砂箱利用率一箱兩件提升近13%。

2.1.2 圓孔芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于鑄件間間距減小，圓孔芯芯頭與鑄件間距減小，易產(chǎn)生扒模、擠砂缺陷，因此將圓孔芯芯頭尺寸各減小10 mm。

2.2 澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于主體芯設(shè)計是在一箱兩件工藝的基礎(chǔ)上增加一件曲軸箱的排布，因此澆注系統(tǒng)在原設(shè)計基礎(chǔ)上延長砂型上的橫澆道，直澆道、橫澆道在砂型一側(cè)，通過上、下箱砂型橫澆道及過濾網(wǎng)，把鐵液引入沿軸瓦方向開設(shè)的兩支水平橫澆道，再引入軸瓦上的4個內(nèi)澆道（如圖4）。通過模擬，此澆注系統(tǒng)充型均衡，達到均衡凝固的要求。

圖4 一箱三件澆注系統(tǒng)設(shè)計

此澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，鑄件清理時，澆注系統(tǒng)易與鑄件分離，勞動強度低。但該工藝澆注時由于直澆道在砂型一側(cè)，鐵液流程較長，鐵液熱量損失較大，易出現(xiàn)氣孔等缺陷。通過移動直澆道位置，減小橫澆道長度以及增加排氣系統(tǒng)，有效解決氣孔缺陷。

一箱兩件澆注系統(tǒng)中，鐵液沿直澆道下來進入砂型下箱的橫澆道1，然后進入上箱橫澆道2（如圖5.a）。橫澆道1與直澆道窩相連，且處于同一高度，失去了直澆道窩的緩沖作用，使鐵液形成渦流和高度紊流區(qū)，易引起沖砂、渣孔等缺陷。因此，在一箱三件澆注系統(tǒng)設(shè)計中，將橫澆道1改至上箱，直澆道下部設(shè)置直澆道窩（如圖5.b），改善了鐵液的流動狀況，同時提高了橫澆道的阻渣能力。

橫澆道在澆注系統(tǒng)中除了起著向內(nèi)澆道分配金屬液的作用，同時還具有阻留熔渣的作用。由于熔渣密度比金屬小，熔渣一面上浮，一面隨金屬液作水平運動，因此為強化橫澆道的阻渣效果，需將橫澆道設(shè)置在上方，即砂型上箱。但一箱兩件工藝設(shè)計中過濾網(wǎng)后方的橫澆道3設(shè)置在下箱（如圖5.a），阻渣能力差，因此在一箱三件澆注系統(tǒng)設(shè)計時考慮到這個因素，將過濾片后的橫澆道3挪至砂型上方（如圖5.b）。

圖5 橫澆道設(shè)計

一箱兩件中內(nèi)澆道在軸瓦中間（如圖6.a），需由清理人員進行人工清理，勞動強度大，為降低工人勞動強度，將內(nèi)澆道移動軸瓦兩側(cè)（如圖6.b），冒口殘根由磨削機自動磨掉，避免了人為清理損傷。

圖6 內(nèi)澆道設(shè)計

2.2.2 澆注系統(tǒng)各組元截面積設(shè)計

根據(jù)一箱兩件工藝常出現(xiàn)的缺陷問題，重新對一箱三件澆注系統(tǒng)各組元截面積進行計算分析。

根據(jù)經(jīng)驗公式[3]計算最小截面積：

式中，S阻為澆注系統(tǒng)最小截面積，cm2；G件為鑄件質(zhì)量，kg;ρ為鑄件材質(zhì)密度，kg·cm-3(灰鑄鐵),取0.0071 kg/cm3；g為重力加速度，98 cm·s；δ為鑄件的主要壁厚，mm；ω為材質(zhì)指數(shù)，灰鑄件取0.24；t為鑄件的有效澆注時間，s。

在此，取鑄件質(zhì)量=72 kg，澆注時間t根據(jù)以下公式進行計算：

根據(jù)以上計算得出t=19 s（取n=0），S阻= 2593 mm2。

澆注系統(tǒng)各組元截面積比初選S直∶S阻∶S內(nèi)=1.3∶1∶1.1。

S直=S阻×1.3=3370 mm2

S內(nèi)=S阻×1.1=2852 mm2

最終設(shè)計取值S直=3215 mm2，S阻=2590 mm2，S內(nèi)=2782 mm2。

澆注系統(tǒng)各組元截面積比實為：

S直∶S阻∶S內(nèi)=1.24∶1∶1.07。

通過計算得出，直澆道內(nèi)鐵液有正壓系統(tǒng)，橫澆道內(nèi)鐵液呈充滿狀態(tài)，具有良好的阻渣、排氣效果，有利于熔渣上浮，符合半封閉式澆注系統(tǒng)條件。

3 結(jié)論

“一箱三件”曲軸箱鑄造工藝已進入批量生產(chǎn)階段，鑄件綜合廢品率逐步達到一箱兩件工藝水平，說明“一箱三件”鑄造工藝設(shè)計是成功的。通過“一箱三件”工藝的開發(fā)與應(yīng)用，砂箱面積利用率提升了近13%，生產(chǎn)效率提升了50%，工藝出品率明顯提升了4%，有效降低了制造成本。

[1] 王正春，令狐東劍，尚廷靜.615曲軸箱的鑄造工藝設(shè)計[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2006(6)：40-42.

[2] 劉文川.提高鑄件砂箱面積利用率的工藝方法分析[J].鑄造，1998(6)：32-34，45.

[3] 劉文川，劉光清，鄧鑫.灰鑄鐵件澆注系統(tǒng)最小截面積計算公式研究[J].機械，2009，36（4）：21-25.

Design and development of WP10 crankcase new casting process

GU SiHui, GENG GuoFang, DING FuCai, WANG ShuKui
(Weichai Power(Weifang) Casting Co., Ltd., Weifang 261001, Shandong, China)

For the shortages of low technological yield, high production costs and low productivity in casting process of two blanks in one mould, a new casting process of three blanks in one mould was designed and developed in the paper. The calculation formula of minimum sectional area in gating system was applied into the design of WP10 crankcase castings process. According to the development and optimization of the new process, the technological yield and productivity are effectively increased, and the aim of increasing effectiveness is reached.

crankcase;casting process;gating system; minimum sectional area

TG242.3；

A；

1006-9658（2017）01-0033-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.010

2016-05-14

稿件編號:1605-1395

顧思惠（1988—），女，工程師，主要從事鑄造生產(chǎn)和工藝研究.