中速柴油機(jī)灰鐵機(jī)體鑄造工藝探討

蔣 輝，李永剛，李文鋒，耿建華，劉繼波

為滿足船機(jī)市場(chǎng)更新?lián)Q代的需求，我廠開發(fā)了WHM160系列柴油機(jī)，機(jī)體作為發(fā)動(dòng)機(jī)的各機(jī)構(gòu)、各系統(tǒng)的裝配基礎(chǔ)，是柴油機(jī)重要零部件之一，對(duì)其強(qiáng)度以及精度有很高的要求；同時(shí)對(duì)機(jī)體有較高的密封要求，不允許有任何缺陷。

機(jī)體輪廓尺寸為：1861mm×500mm×740mm；缸孔直徑：189mm；缸距：225mm；主要壁厚：10mm；毛坯重量：1100t；材質(zhì)：HT250。鑄件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機(jī)體WHM8160機(jī)體鑄件結(jié)構(gòu)圖

1 鑄造工藝方案

1.1 鑄造工藝方案分析

1.1.1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

該柴油機(jī)機(jī)體是中型灰鐵機(jī)體，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，其中一部分采用濕式水套結(jié)構(gòu)，水套與缸孔相連且與其下方的軸承擋、曲軸箱腔體相連，另一部分是外部水腔。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔，其中難點(diǎn)是：外部水腔與每一缸水套結(jié)構(gòu)通過(guò)截面尺寸為40mm×50mm的進(jìn)水孔相連，與前端面通過(guò)?60mm進(jìn)水孔相通之外，并無(wú)其它連接，外部水腔芯的定位和固定非常困難，極易在澆注過(guò)程中造成漂芯鑄造缺陷。

1.1.2 臥澆工藝分析

以缸孔中心為分型面，將鑄型分為上下兩部分（見圖2），根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝要求，需要8顆缸芯，2顆端芯，3顆外部水腔芯（分段），共3種13顆砂芯。

圖2 臥澆工藝

臥澆工藝特點(diǎn)：

（1）對(duì)模板與砂箱的定位尺寸要求嚴(yán)格，鑄件幾何形狀容易保障；

（2）砂芯數(shù)量少，組芯研箱工作量低，鑄型尺寸精度高[1]；

（3）鐵液靜壓力頭小，澆注后期沖型速度慢，補(bǔ)縮能力差；

（4）澆注時(shí)排氣較為不暢；

（5）外部水腔芯與缸芯之間定位困難。1.1.3 立澆工藝分析

（1）將缸孔朝上，機(jī)體高度方向中間位置為分型面，分為上下兩箱，除了臥澆工藝中的砂芯，還需要左、右側(cè)砂芯。

工藝特點(diǎn)：1）對(duì)模板與砂箱的定位尺寸要求相對(duì)寬松；

2）砂芯數(shù)量多，制芯與研箱的工作量大。

（2）將缸孔朝下，采用劈箱造型工藝，除上、下鑄型以及臥澆工藝中缸芯和外部水腔芯外，還有前、后端以及左、右側(cè)砂型。

工藝特點(diǎn)：1）砂型數(shù)量多，造型與合箱的工作量大；

2）因需要砂箱之間配合定位，對(duì)砂箱質(zhì)量要求高，且模板結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]。

其它共同特點(diǎn)：1）鐵液靜壓力頭大，有利于沖型和補(bǔ)縮；

2）外部水腔芯需要在下完缸芯后再固定到缸芯上，操作復(fù)雜；

3）澆注時(shí)鐵液流向與機(jī)體的上下結(jié)構(gòu)保持一致，有利于鐵液的充型及排氣。

1.1.4 工藝方案的確定

經(jīng)過(guò)以上分析，立澆工藝較為復(fù)雜，最終選擇臥澆工藝。外部水腔芯底部設(shè)計(jì)工藝孔，以便于布置芯頭用于定位。

1.2 鑄造工藝方案設(shè)計(jì)

1.2.1 造型

結(jié)合我廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用堿酚醛自硬砂造型，金屬標(biāo)準(zhǔn)模板。

1.2.2 制芯

為保證鑄件尺寸精度，提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，所需砂芯全部采用三乙胺冷芯盒制芯，采用浸涂或刷涂醇基涂料，表干爐在150～190℃烘干35min工藝。其中外部水腔芯使用鋯英粉涂料，有較好的防粘砂效果。

1.2.3 下芯

在組芯胎具上預(yù)組整體芯，再用下芯吊具整體下芯（見圖3）。其中缸芯與端芯芯頭處共有3處螺栓孔，用于把緊整體芯（見圖4）。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 鑄造工藝參數(shù)的設(shè)定

圖3 組芯圖

圖4 缸芯與端芯

鑄造收縮率：根據(jù)我廠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，外模長(zhǎng)度方向1.1%，整體芯長(zhǎng)度方向1.0%，其余均取1%。

鑄件加工余量：缸孔及凸輪軸孔加工余量5.5mm，其余位置加工余量5mm。

工藝補(bǔ)正：按照以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，缸芯缸孔部分收縮正常，軸承擋部分長(zhǎng)度方向收縮受阻，越遠(yuǎn)離中心體現(xiàn)越明顯，所以第1和第9軸承擋厚度方向，向鑄件中心補(bǔ)正2.0mm，其余軸承擋因牽扯缸芯通用，無(wú)法單獨(dú)設(shè)置工藝補(bǔ)正。

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本次工藝采取階梯式澆注系統(tǒng)、開放式澆注系統(tǒng)，底層內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件底部，第二層內(nèi)澆道設(shè)置在軸承擋處，鐵水從橫澆道引出，而非直接從直澆道引出，工藝簡(jiǎn)圖見圖5。

2.3 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排氣系統(tǒng)分為兩部分，一部分砂芯排氣，在缸芯頂部鉆孔，上砂型兩側(cè)設(shè)計(jì)出氣片，缸芯觀察窗處設(shè)計(jì)出氣針，見圖5-2。

另一部分是型腔排氣，設(shè)計(jì)在砂型最高處，以及機(jī)體前后端面，見圖5-1。

2.4 熔煉及澆注工藝

熔煉工藝：采用電爐熔煉，Cu-Cr合金強(qiáng)化工藝，原鐵水化學(xué)成分控制范圍見表1，采用硅鋇孕育劑（加入量0.2%～0.6%）及沖入法進(jìn)行爐前處理，終成分控制范圍見表2。

表1 原鐵水化學(xué)成分

表2 鐵水最終化學(xué)成分

圖5 -1 機(jī)體鑄造工藝簡(jiǎn)圖

圖5 -2 機(jī)體鑄造工藝簡(jiǎn)圖

鐵水精煉：電爐內(nèi)熔化升溫至1400℃和1500℃時(shí)，斷電靜置后除渣。爐前處理結(jié)束后，使用集渣劑扒渣三次。

澆注工藝：采用傾斜澆注工藝，澆口箱放在位置較高一側(cè)（見圖5-2），澆注溫度范圍控制在1340～1385℃，使用硅鋯孕育劑進(jìn)行隨流孕育，孕育量0.08%～0.12%。

2.5 冷卻時(shí)間的確定

為加速冷卻，采用澆注5小時(shí)后開上箱，24小時(shí)后打箱的工藝。圖6-7是用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該工藝是合適的。

3 工藝模擬優(yōu)化

用MAGMA軟件對(duì)該工藝進(jìn)行模擬，主要模擬沖型和冷卻過(guò)程，經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)：（1）分直澆道在澆注過(guò)程中一直處于充不滿狀態(tài)，鐵液在該處有較大的卷氣現(xiàn)象；（2）最外側(cè)兩個(gè)第二層內(nèi)澆道出現(xiàn)提前進(jìn)鐵液現(xiàn)象，易形成鐵豆和冷隔缺陷（見圖8）。

圖6 機(jī)體上箱溫度

圖7 機(jī)體下箱溫度

改進(jìn)措施：（1）在分直澆道下方設(shè)計(jì)阻流截面積，保證在澆筑過(guò)程中分直澆道一致保持充滿狀態(tài)，以減少澆注過(guò)程中卷氣及氧化夾雜物的產(chǎn)生；（2）增加最外側(cè)兩個(gè)第二層內(nèi)澆道下方內(nèi)澆口的截面積，減小該處鐵液壓力。

圖8 第一次模擬

改進(jìn)后對(duì)新工藝再次進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示已解決以上問(wèn)題（見圖9）。

4 工藝驗(yàn)證

對(duì)以上工藝進(jìn)行小批量驗(yàn)證，結(jié)果如下：

4.1 鑄造缺陷

圖9 第二次模擬

圖10 合格機(jī)體毛坯

驗(yàn)證過(guò)程鑄件未出現(xiàn)砂眼、氣孔缺陷，仍需在批量生產(chǎn)中驗(yàn)證。

4.2 尺寸問(wèn)題

經(jīng)解剖檢驗(yàn)，鑄件關(guān)鍵部位壁厚符合要求，水道芯固定到位無(wú)漂芯現(xiàn)象。

通過(guò)三維掃描儀收集鑄件輪廓數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)三維模型對(duì)比，重點(diǎn)檢查鑄件螺孔搭子位置尺寸，收縮率等均在工藝要求范圍內(nèi)（見圖11）。

圖11 三維掃描機(jī)體外輪廓

5 結(jié)論

（1）對(duì)于中型柴油機(jī)灰鐵機(jī)體，采用臥澆工藝可大大減小工藝復(fù)雜程度，采用傾斜澆注，合理布置排氣系統(tǒng)，有利于鐵液沖型和排氣。 （2）采用數(shù)值模擬軟件對(duì)鑄件沖型和凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)鑄造工藝的不合理之處，有效地提高了鑄造工藝的成功率。

（3）采用三維掃描儀可有效收集鑄件輪廓尺寸，可對(duì)鑄件進(jìn)行全尺寸測(cè)量，為收縮率的調(diào)整、工藝補(bǔ)正的設(shè)計(jì)等提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，為鑄件輪廓尺寸檢測(cè)提供了新方法。

[1] 王泮興，于建忠，畢海香，等.大功率柴油機(jī)球鐵機(jī)體鑄造工藝探討[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2015(02):22-26.

[2] 馬素娟，姬愛(ài)青.CW200大馬力機(jī)體鑄造工藝設(shè)計(jì)[J].鑄造設(shè)備與工藝,2017(03):13-15.