6L240機(jī)架鑄造工藝設(shè)計(jì)

張成永,劉建平

6L240機(jī)架是我車間為某公司主柴油機(jī)型生產(chǎn)的關(guān)鍵產(chǎn)品件之一。該產(chǎn)品質(zhì)量要求：（1）球化級(jí)別要求1～2級(jí)；（2）探傷標(biāo)準(zhǔn)：超聲波和表面磁粉探傷（Ⅱ級(jí)）；（3）鑄件表面需全身打磨；（4）不允許存在氣孔、縮松、裂紋、夾砂、夾雜等鑄造缺陷；（5）不允許焊補(bǔ)、涂膩?zhàn)?、油漆等任何形式的挽救措施?/p>

產(chǎn)品特點(diǎn)：材質(zhì)：QT500-7；輪廓尺寸：2752 mm×960 mm×1270mm；氣缸、主軸承檔平均壁厚尺寸為16 mm，最大壁厚105mm，最小壁厚11mm；零件毛重5000kg。屬于典型的壁厚不均勻中、大型鑄件。

圖1 外形結(jié)構(gòu)圖

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)主要元素有分型面的確定、收縮率和加工余量的確定等，其中以澆注系統(tǒng)位置和冒口尺寸的計(jì)算為重點(diǎn)。鑄造工藝設(shè)計(jì)對(duì)于鑄造生產(chǎn)意義重大，一個(gè)合理而先進(jìn)的鑄造工藝方案，對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)鑄件、簡(jiǎn)化工藝過(guò)程、提高生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件以及降低生產(chǎn)成本等起著決定性的作用。

1.1 澆注位置及分型面的確定

分型面是指鑄型組元間的結(jié)合面，合理的選擇分型面，對(duì)于簡(jiǎn)化鑄造工藝、提高生產(chǎn)率、降低成本、提高鑄件質(zhì)量等都有著直接的關(guān)系。分型面的選擇應(yīng)盡量與澆注位置一致，使兩者協(xié)調(diào)起來(lái)，簡(jiǎn)化鑄造工藝，并易于保證鑄件質(zhì)量。該鑄件由于外觀質(zhì)量要求高，同時(shí)考慮到?70mm和?130mm大孔內(nèi)腔質(zhì)量的穩(wěn)定性和均勻性，選擇如圖2所示的分型方式。

鑄件平面尺寸相對(duì)較大，根據(jù)其精度要求和鑄造經(jīng)驗(yàn)，選擇將鑄件的全部都放在下箱中，保證鑄件的加工定位面和主要的加工面尺寸精度。上箱采用蓋板芯，避免鑄件大平面產(chǎn)生沖砂、起皮、夾渣等鑄造缺陷，整個(gè)鑄件位于下箱內(nèi)，下芯方便，砂芯安放牢固，易于檢查下芯的尺寸，同時(shí)采用樹(shù)脂砂造型、制芯。分型面和澆注位置如圖2所示。

圖2 分型面的選擇

1.2 加工余量的確定

鑄件質(zhì)量要求高，尺寸大，且粗加工后要求消除應(yīng)力退火，為保證有足夠的加工余量，消除變形、校正等尺寸偏差的影響，結(jié)合理論經(jīng)驗(yàn)要求，我們根據(jù)圖紙的加工精度需求，確定零件加工余量在10～15mm，局部6mm。

1.3 收縮率的確定

收縮率又稱鑄造收縮率，是指鑄件從線收縮開(kāi)始溫度冷卻到室溫時(shí)的相對(duì)線收縮量。線收縮量不僅與鑄造金屬的收縮率和線收縮起始溫度有關(guān)，還與鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型種類、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、砂型和砂芯的退讓性等因素有關(guān)，為獲得尺寸精度較高的鑄件，通過(guò)試生產(chǎn)后檢測(cè)鑄件的實(shí)際尺寸，修正模樣后，確定收縮率為（7～10）‰。

1.4 起模斜度的確定

為了保證鑄型的順利起模，在原則上不應(yīng)超出鑄件壁厚公差要求，考慮樹(shù)脂砂取模的難度，依據(jù)資料和經(jīng)驗(yàn)取拔模斜度為1°30′。

1.5 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是砂型中引導(dǎo)液態(tài)金屬進(jìn)入型腔的通道，合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)、技術(shù)條件、合金種類、選擇澆注系統(tǒng)類型，確定引入位置，計(jì)算截面尺寸等。

設(shè)計(jì)原則：使金屬液平穩(wěn)充型，不沖刷型壁和型芯，不卷入氣架，阻擋夾雜物進(jìn)入型腔。同時(shí)考慮充型過(guò)程中溫度場(chǎng)特點(diǎn)和球鐵材質(zhì)的易氧化特性，選擇充型相對(duì)平穩(wěn)、鐵水飛濺和氧化較小的底注式澆注系統(tǒng)?？紤]到擋渣和排渣及控制型內(nèi)金屬液的溫度梯度，采取半封閉式澆注系統(tǒng)，阻流截面在內(nèi)澆道上，橫澆道截面最大。故選擇的澆注系統(tǒng)截面比為∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi) =2∶2.2∶1。

1.5.1 澆注系統(tǒng)尺寸的確定

1.5.1.1 澆注時(shí)間的確定

澆注時(shí)間與鑄件結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、鑄型條件、澆注溫度等因數(shù)有關(guān)，每一個(gè)鑄件，都有一個(gè)合理的澆注時(shí)間與其對(duì)應(yīng)，澆注時(shí)間對(duì)鑄件質(zhì)量有重要影響，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

式中 GL=7000,單位為kg。經(jīng)計(jì)算得：t=108.7s。

1.5.1.2 阻流截面積的確定

澆注系統(tǒng)尺寸主要是計(jì)算和確定阻流斷面尺寸，按照經(jīng)驗(yàn)比例確定其它組元的斷面積。通過(guò)流體力學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)化合并。采用經(jīng)驗(yàn)公式

式中A阻——阻流截面積（cm2）；

GL——流經(jīng)A阻截面的金屬液重量（kg），GL=7000；

μ——總流量損耗系數(shù)，μ=0.45；

t——澆注時(shí)間（s），t=108.7；

Hp——平均靜壓力頭高度（cm）。

式中H0——作用于內(nèi)澆道的液態(tài)金屬的靜壓力頭高度（cm）,H0=152.5；

C——鑄件高度（cm），C=127。

Hp=152.5-127/2=89（cm），

∑F內(nèi)=A阻=48.95cm2，按∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=2∶2.2∶1 計(jì)算，∑F直=2×48.95=97.90（cm2），∑F 橫=2.2×48.95=107.6（cm2）。

工藝設(shè)計(jì)選取直徑為8.5cm的直澆道2道同時(shí)澆注，選取梯形內(nèi)澆道14道，截面上底4cm、下底4.5cm、高0.9cm，選取橫澆道兩側(cè)中分4道，截面上底4.5cm，下底5cm，高6cm。

核算澆注系統(tǒng)：∑F 內(nèi) =（1/2）×（4+4.5）×0.9×14cm2=53.55cm2，∑F 橫 =（1/2）×（4.5+5）×6×4cm2=114cm2，∑F 直 =2×（1/4）×л×D2=2×（1/4）×3.14×8.52cm2=113.43cm2。 ∑F直、∑F橫、∑F內(nèi)與理論計(jì)算基本吻合。

1.6 澆注速度的設(shè)計(jì)校核

校核對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜及大型鑄件，在澆注時(shí)間確定后，需要驗(yàn)算型內(nèi)液面的上升速度，如差別較大需要矯正澆注時(shí)間或更改工藝。

平均液面上升速度為：

式中vL——型內(nèi)液面上升速度（cm/s）；

Hc——鑄件在澆注位置時(shí)的高度（cm），底注式Hc＝C=127；

vL=127/108.7=1.17（cm/s）

查鑄造工（技師、高級(jí)技師）中vL數(shù)值所列參考值，如太小，需修正。實(shí)際計(jì)算結(jié)果跟參考值相差不大，不需進(jìn)行澆注速度的調(diào)整。

1.7 冒口及冷鐵的設(shè)置

球墨鑄鐵件具有糊狀凝固特性，易產(chǎn)生分散性縮松，為了達(dá)到均衡凝固的目的，我們采取了控制型內(nèi)溫度梯度，在厚大熱節(jié)處采用冷鐵調(diào)整溫度場(chǎng)，保證補(bǔ)縮通道暢通，得到致密的鑄件組織[2]，如圖3所示。同時(shí)加強(qiáng)砂型剛度（采用樹(shù)脂砂造型），充分利用共晶石墨化膨脹壓力以克服縮松。

圖3 冒口和冷鐵圖

為了更安全、可靠起見(jiàn)，彌補(bǔ)生產(chǎn)中出現(xiàn)工藝條件偏差，在鑄件頂部的兩端設(shè)計(jì)了2個(gè)小冒口，稱安全冒口，用于補(bǔ)充高溫鐵水液態(tài)收縮造成的架積虧空，消除因工藝偏差而可能導(dǎo)致的鑄件輕微縮松和缺陷。冒口尺寸的確定根據(jù)鑄件兩端厚大厚實(shí)部分的模數(shù)來(lái)確定冒口直徑。通過(guò)計(jì)算得鑄件兩端厚實(shí)部分的模數(shù)M鑄=6cm，取安全冒口直徑M徑=R徑/2=0.5M鑄=0.5×6cm=3cm，R徑=6cm?？紤]到冷鐵的急冷作用，同時(shí)相當(dāng)于降低了鑄件模數(shù)，因此取冒口模數(shù)為理論鑄件模數(shù)的0.9倍足夠補(bǔ)充液態(tài)架積虧空，采用圓柱型冒口，M冒=R冒/2=0.9M鑄=0.9×6cm=4.5cm，D冒=9cm。為增加冒口液態(tài)補(bǔ)縮量，生產(chǎn)中取冒口徑直徑（D1）120mm，冒口徑高度（H1）40mm，冒口直徑（D）180mm，高度（H）380mm，如圖3所示。

1.8 化學(xué)成分的選擇

QT500-7牌號(hào)屬于鐵素架+珠光體為基體的球墨鑄鐵，要求C、Si含量相對(duì)較高，C、Si對(duì)鑄件的性能有很大的影響，并對(duì)鑄件的致密性起著重要的作用。

圖4 6L240機(jī)架

碳、硅含量高能提高鑄造性能，增加二次石墨化膨脹量，利于獲得致密鑄件，減少白口傾向，提高石墨的圓整度；但是碳量高易于產(chǎn)生石墨漂浮，特別是厚大件，石墨漂浮更加嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，我們選擇碳在3.70%～3.85%；硅對(duì)鑄件的低溫沖擊韌性影響極大，實(shí)際中選擇Si控制在1.60%～2.50%。

2 生產(chǎn)效果

采用該工藝方案生產(chǎn)的6L240機(jī)架，鑄件經(jīng)劃線檢測(cè)，尺寸偏差符合圖紙要求，達(dá)到了用戶標(biāo)準(zhǔn)，得到了用戶的認(rèn)可。鑄件經(jīng)破壞性解剖驗(yàn)證無(wú)任何縮孔、縮松質(zhì)量問(wèn)題，并經(jīng)超聲波探傷和磁粉探傷檢測(cè)內(nèi)部質(zhì)量良好，基本達(dá)到了零缺陷標(biāo)準(zhǔn)要求。

該機(jī)架已生產(chǎn)40臺(tái)，裝車使用20臺(tái)，加工12臺(tái)，未發(fā)現(xiàn)影響使用和超越圖紙及技術(shù)要求的鑄造缺陷。

3 結(jié)論

（1）大型厚大球墨鐵鑄件只要澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，溫度梯度控制適宜，完全能借助于球鐵石墨化膨脹，實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造，獲得緊實(shí)、致密的鑄件。

（2）對(duì)于大型鑄件，采用樹(shù)脂砂生產(chǎn)宜采用分散、多道扁平內(nèi)澆道引入，實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)、均勻充型，減少因局部過(guò)熱和對(duì)樹(shù)脂砂的烘烤和沖涮，加劇夾雜物的產(chǎn)生和表面燒結(jié)缺陷。

（3）控制溫度場(chǎng)，可采用的有效措施：合理引入鐵水、局部放置冷鐵和液面最高處設(shè)置液態(tài)補(bǔ)縮的小型冒口，達(dá)到局部順序凝固，整架均衡凝固的條件。

（4）為類似牌號(hào)材質(zhì)的成功研制提供了成熟經(jīng)驗(yàn)，為大型厚斷面球鐵鑄件的無(wú)冒口鑄造奠定了技術(shù)儲(chǔ)備，實(shí)踐證明工藝上采用冷鐵、冒口跟澆注系統(tǒng)聯(lián)合補(bǔ)縮對(duì)大的斷面、不均勻厚實(shí)的球鐵鑄件是可靠的，具有較廣闊的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陸一士.鑄造工（技師、高級(jí)技師）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:15-20.

[2]機(jī)械工業(yè)技師考評(píng)培訓(xùn)教材編審委員會(huì).鑄造工-技師培訓(xùn)教材[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001:123-137.