利用模擬技術(shù)優(yōu)化柴油機(jī)軸承蓋工藝

高 博，雷王平，楊霄峰

某型柴油機(jī)軸承蓋尺寸為576mm×390mm×132mm，主要壁厚為90mm,最大壁厚132mm,最小壁厚36mm；鑄造毛坯重量為140kg;材質(zhì)為球墨鑄鐵：QT500-7A，具體的形狀見圖1。其主要檢驗(yàn)指標(biāo)要求如下：

（1）鑄件所有表面需進(jìn)行磁粉檢查,按DINEN1369SM2驗(yàn)收；

（2）加工表面著色檢查；

（3）鑄件內(nèi)部需進(jìn)行超聲波檢查,按EN12680.3-2003標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)指示數(shù)據(jù)進(jìn)行評定；

（4）對每件鑄件整體進(jìn)行離子輻射檢查，按EN12681-2003標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)執(zhí)行；

（5）以上檢驗(yàn)合格后的鑄件還需進(jìn)行工業(yè)CT檢查與剖切檢查；

（6）毛坯不允許存在夾雜、冷豆、裂紋、縮松、凹陷等缺陷，不允許存在影響鑄件強(qiáng)度與致密性的缺陷。

圖1 某型軸承蓋鑄件示意圖

1 鑄造工藝方案設(shè)計(jì)

1.1 澆注位置的確定

以往柴油機(jī)大型軸承蓋采用的是水平澆注工藝，便于設(shè)置冒口和冷鐵，工藝比較成熟；該工藝的缺點(diǎn)是冒口面圓弧過渡處和螺栓孔上表面二次氧化夾渣缺陷較多，易造成磁粉探傷不合格。本次工藝設(shè)計(jì)將軸承蓋的重要面（瓦面）朝下放置，底注式澆注系統(tǒng)，這樣有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）重要面（瓦面）朝下放置，可以減少該面出現(xiàn)氣孔、砂眼、縮松等缺陷；

（2）方便在鑄件上平面處放置冒口，結(jié)合瓦面冷鐵，可以達(dá)到順序凝固的目的；

（3）底注式澆注系統(tǒng)有利于型腔內(nèi)氣體的排出，金屬液進(jìn)入型腔平穩(wěn)，對型腔沖擊力小，減少夾雜類缺陷，工藝方案見圖2。

1.2 鑄造工藝參數(shù)

直澆道：?60mm；

橫澆道：上底30mm，下底35mm，高度 40mm，雙向橫澆道；

內(nèi)澆道：上底40mm,下底45mm,高度12mm；

澆注系統(tǒng)各組元截面比例為：∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直=1.44∶0.92∶1。

1.3 冒口和冷鐵的設(shè)計(jì)

軸承蓋壁厚較均勻，不存在孤立的熱節(jié)，但為了獲得組織致密的鑄件，及時(shí)補(bǔ)充液態(tài)的收縮和排渣，在鑄件最高點(diǎn)放置兩處冒口，冒口設(shè)計(jì)成球狀。

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，瓦面組織要求高，冒口不足以補(bǔ)縮到瓦面，故需在瓦面處設(shè)計(jì)隨形冷鐵，為減小鑄件搭子處的模數(shù)，使鑄件整體達(dá)到順序凝固的目的，故在搭子處設(shè)計(jì)方形冷鐵,見圖2。

圖2 某型柴油機(jī)主軸承蓋鑄造工藝示意圖

2 鑄造工藝模擬

2.1 充型模擬

充型初期橫澆道快速充滿，鑄件產(chǎn)生卷氣、夾渣的可能性不大。整個(gè)充型過程平穩(wěn)，液面上升均勻,見圖3。

圖3 充型示意圖

2.2 模擬結(jié)果分析

軸承蓋模擬結(jié)果顯示，鑄件可能在螺栓孔和薄厚壁連接處附近產(chǎn)生縮松缺陷,見圖4。

對可能產(chǎn)生縮松缺陷的原因分析認(rèn)為，鑄件瓦口面和螺栓孔部位為厚大部位，瓦口面向下并且設(shè)計(jì)了成形冷鐵，螺孔外側(cè)搭子上也設(shè)計(jì)了冷鐵，所以凝固較快；鑄件薄厚壁連接處由于尖角砂效應(yīng)散熱慢，螺栓孔外冷鐵阻斷了冒口向中心部分補(bǔ)縮通道，因此此部位容易產(chǎn)生縮松,見圖5。

3 工藝改進(jìn)

根據(jù)第一次模擬結(jié)果，對工藝進(jìn)行了改進(jìn),具體措施如下：

圖4 仿真分析缺陷位置示意圖

圖5 鑄件凝固順序示意圖

圖6 改進(jìn)工藝后的鑄造工藝

（1）在主軸承蓋薄厚壁交接圓角處增加冷鐵；

（2）為了防止冒口補(bǔ)縮通道過早被阻斷，去掉螺孔外側(cè)搭子上的冷鐵；

（3）為了防止冒口相互干擾，在兩個(gè)冒口中間增加冷鐵；

（4）冒口體向中心移動(dòng)；改進(jìn)工藝后的鑄造工藝見圖6。

采取措施后進(jìn)行了第二次模擬澆注，鑄件澆注平穩(wěn)，縮松和氧化夾雜幾乎全部消除,見圖7。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

圖7 工藝改進(jìn)后模擬效果圖

圖8 成品檢測結(jié)果

按改進(jìn)后的工藝澆注了72件，每件主軸承蓋超聲波檢查、離子輻射檢查、所用表面磁粉檢查和著色檢查全部合格；首批軸承蓋進(jìn)行工業(yè)CT檢查符合GJB5312-2004技術(shù)要求。

5 結(jié)論

（1）按改進(jìn)后的工藝澆注了72件，每件軸承蓋超聲波檢查、離子輻射檢查、所用表面磁粉檢查和著色檢查全部合格；首批軸承蓋進(jìn)行工業(yè)CT檢查符合GJB5312-2004技術(shù)要求。

（2）采用三維模擬軟件可以有效對鑄件的凝固過程、溫度場分布、鑄件缺陷狀態(tài)進(jìn)行有效地預(yù)測，及時(shí)的調(diào)整工藝方案，提高驗(yàn)證效率并降低驗(yàn)證成本。

（3）對于軸承蓋類鑄件，采用立式底注式工藝、

運(yùn)用定向凝固方式可以獲得高品質(zhì)的鑄件。

[1] 張良,趙旭平.計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用[J].石油機(jī)械,2006(9):92-94.

[2] 杜寶江.虛擬制造[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,2011:50-230.

[3] 李日,馬軍賢,崔啟玉.鑄造工藝仿真ProCAST從入門到精通[M].北京:中國水利水電出版社,2010:549-551.

[4] 范曉明,王志,龍志平,等.基于ProCAST的葉輪鑄件鑄造工藝優(yōu)化[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2014(4):11-13.

[5] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊.第5卷：鑄造工藝（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011:124-125.