大型高牌號灰鑄鐵發(fā)動機機體鑄造工藝分析

魯 棟，李永剛，盧彬彬，畢海香，楊恒遠，于建忠，耿建華

（濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 262208）

濰柴自主開發(fā)的高端大型船用柴油機，其機體材質(zhì)為高牌號灰鑄鐵，由我廠承擔(dān)鑄造工藝的開發(fā)及生產(chǎn)。本文主要介紹了該大型高牌號灰鑄鐵機體的鑄造工藝設(shè)計，分析了類似鑄件鑄造中常出現(xiàn)的尺寸精度低、縮松、氣孔等鑄造缺陷，給出了一些解決方案。并利用鑄造模擬技術(shù)對該工藝進行了模擬，以期為后續(xù)大型鑄件的工藝開發(fā)提供一定的參考。

1 機體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

該機體結(jié)構(gòu)為直列六缸，毛坯重量約9 000 kg，鑄件的外輪廓尺寸3299mm×1746 mm×1350mm，最大壁厚為95 mm，最小壁厚為15.5 mm，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

鑄件材質(zhì)為HT300，要求機體頂面及主軸承側(cè)壁的附注試棒抗拉強度≥280 MPa，對稱循環(huán)抗拉試驗存活率50%，循環(huán)次數(shù)10×106，對稱循環(huán)抗拉強度≥280 MPa，硬度（HBW）200～250.

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

2 鑄造工藝設(shè)計

2.1 臥澆與立澆工藝的選擇

2.1.1 臥澆工藝

將鑄件以缸孔中心分為上下兩箱，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，每箱鑄件需6個大缸芯、2個大皮芯、1個氣腔芯、1個中冷器芯、1個凸輪軸芯、1個齒輪室芯等。

臥澆工藝的優(yōu)點為：（1）所需的砂芯數(shù)量較少，因此工裝數(shù)量少；（2）下芯操作相對簡單。缺點為：（1）砂芯制芯大多需采用人工制芯，相對繁瑣且勞動強度較大；（2）型腔內(nèi)的氣只能通過芯頭排出，易產(chǎn)生氣孔缺陷[1，2]。

2.1.2 立澆工藝

將機體的缸孔面朝下進行鑄件的澆注，因為鑄件的高度較高，傳統(tǒng)的上下兩半鑄型的工藝很難實現(xiàn)，需要通過上下兩型加中間多層套箱的工藝來實現(xiàn)。

立澆工藝的優(yōu)點為：（1）澆注時鐵液的流動與機體的上下結(jié)構(gòu)一致，有利于鐵液的充型及排氣；缺點為：（1）所需砂芯數(shù)量較多，制芯、組芯、研箱所需的工作量較大；（2）鑄件尺寸研箱時需要更多的樣板進行控制[1，2]。

綜合以上分析，由于機體尺寸較大，結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，綜合考慮各方因素，最終采用臥澆工藝進行設(shè)計。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

大型機體的澆注系統(tǒng)對于鐵水充型至關(guān)重要，該澆注系統(tǒng)采用底注反雨淋式澆注系統(tǒng)（如圖2所示），即橫澆道位于整個鑄件的下部，鐵水全部由鑄件底部引進。該種方式避免了鐵水直沖砂芯或鑄型，鐵水通道暢通，充型流動平穩(wěn)，可避免鐵水發(fā)生飛濺、氧化及由此形成鑄件缺陷。該澆注系統(tǒng)全部由陶瓷管組成，其中直澆道為φ110 mm（1根），橫澆道為φ90 mm（2根），內(nèi)澆道為φ40 mm（14根）。澆注系統(tǒng)各部分比例為F直∶F橫∶F內(nèi)=9 498∶12 717∶17 584=1∶1.34∶1.85，該澆注系統(tǒng)為典型的開放式澆注系統(tǒng)，鐵水通過內(nèi)澆口進入型腔的流速較低，充型過程平穩(wěn)，減少了鐵水的飛濺氧化[3]。

圖2 澆注系統(tǒng)示意圖

2.3 造型與制芯

對于較大鑄件的生產(chǎn)造型、制芯均采用堿性酚醛自硬砂，工藝已經(jīng)較為成熟。因此采用堿性酚醛自硬砂工藝進行造型、制芯。制芯采用手工制芯，對于大缸芯、氣腔芯等較大砂芯需使用芯骨。砂芯及砂芯均刷醇基鋯英粉涂料，然后進行表干。由于砂型和砂芯體積較大，操作所需的時間較長，因此在局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的位置較容易出現(xiàn)砂型不緊實、固化分層等問題，因此在操作過程一定要多人配合、注意局部位置的填砂，確保砂型緊實度。

2.4 熔煉及澆注工藝

熔煉采用電爐熔煉工藝，采用Cu-Cr-Mo-Sn合金強化工藝，并進行包內(nèi)一次孕育和二次隨流孕育，鐵水澆注重量為19 t，澆注溫度為1 340℃～1 360℃，同時采用傾斜澆注工藝。因鑄件較大，澆注時間較長，因此要注意鐵水的孕育處理和球化處理，防止球化衰退。

3 鑄造缺陷的防止

對于大型高牌號灰鑄鐵鑄件，常出現(xiàn)尺寸精度差、氣孔、縮松等鑄造缺陷[4]，在工藝設(shè)計時充分考慮了鑄造缺陷的產(chǎn)生，采取了針對性的預(yù)防措施，提升鑄造工藝保證系數(shù)。

3.1 尺寸精度

對于大型框架類機體鑄件生產(chǎn)，特別是生產(chǎn)過程大多以手工操作為主，鑄件難免會產(chǎn)生尺寸偏離、鑄件變形等尺寸問題，本次工藝設(shè)計主要從以下幾方面給予重點考慮。

3.1.1 收縮余量的選取

收縮余量的選取對于大型鑄件的尺寸有較大的影響，借鑒其他類似機體生產(chǎn)經(jīng)驗，同時參考國內(nèi)同行的生產(chǎn)經(jīng)驗，結(jié)合生產(chǎn)實際進行了修正，最終選取的收縮余量為：長度方向0.95%，寬度方向0.8%，高度方向0.5%.

3.1.2 工裝設(shè)計

根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，工裝變形可能導(dǎo)致鑄件尺寸出現(xiàn)偏差。為規(guī)避該因素，工裝模板選取槽鋼框架結(jié)構(gòu)+頂部50 mm厚鋼板結(jié)構(gòu)，芯盒均選取鋁制金屬工裝。模樣做成分體模樣防止出現(xiàn)縮尺問題便于調(diào)整，模樣與模底板配合不嵌入，采用銷定位，定位套做在活塊上，再與模底板配合。

3.1.3 工藝間隙

在以往設(shè)計鑄造工藝時，為了防止下芯研箱過程中出現(xiàn)擠掉砂、砂芯下不到位等問題，加大保證系數(shù)，工藝間隙往往都比較大，因工藝間隙問題和尺寸誤差積累問題導(dǎo)致鑄件尺寸精度不合理。鑒于此，本次工藝開發(fā)要求采用下芯吊具和下芯定位框保證下芯研箱精度；其次，在保證下芯研箱精度的前提下，工藝間隙由原來的1 mm～1.5 mm改進為0.5 mm.

3.2 氣孔問題

設(shè)計階段充分考慮了砂芯排氣問題，對于砂芯采用金屬軟管排氣工藝，如圖3所示。金屬軟管在砂芯中形成了一條由內(nèi)向外完整的排氣通道，保證了砂芯中產(chǎn)生的氣體能通過金屬軟管通道順利排到型外，避免氣體滯留在型腔內(nèi)。本次設(shè)計所有砂芯都增加了金屬軟管形成排氣通道，從而防止鑄件氣孔類缺陷的形成。

圖3 金屬軟管的使用

3.3 縮松問題

針對縮松問題，在瓦口、主油道、主螺栓孔等厚大熱節(jié)部位布置冷鐵，改變厚大部位的凝固順序。同時在主油道上方采用冒口徑為φ60 mm的保溫冒口進行補縮，上型其他厚大部位設(shè)置了溢流冒口、出氣棒等。

4 鑄造過程模擬

為了更好地檢驗工藝的可靠性，利用MAGMA鑄造模擬軟件對鐵水充型過程溫度場分布、卷氣趨勢、縮松趨勢進行模擬。圖4為卷氣趨勢模擬圖，通過模擬可以看出，機體的內(nèi)部無卷氣和縮松現(xiàn)象，縮松出現(xiàn)在溢流冒口處，說明澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)以及補縮工藝比較合理。

5 工藝驗證

工藝設(shè)計完成后進行了生產(chǎn)驗證，一次性產(chǎn)出了合格鑄件，鑄件的尺寸、表面質(zhì)量良好，主軸承檔和機體頂面的附鑄試樣抗拉強度分別為289 MPa、295 MPa，硬度（HB）為 229、226，滿足圖紙技術(shù)要求。同時加工過程未發(fā)現(xiàn)縮松、氣孔等鑄造缺陷，圖5為生產(chǎn)的鑄件毛坯圖。

圖4 模擬卷氣示意圖

圖5 鑄件毛坯圖

6 結(jié)論

1）對于大型柴油機機體類鑄件，采用臥澆、底注反雨淋鑄造工藝、開放式澆注系統(tǒng)，能夠使內(nèi)澆口處鐵水流速較小，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵液的平穩(wěn)充型，能夠提高鑄件質(zhì)量。

2）針對大型箱體類鑄件尺寸精度低、氣孔、縮松等常見鑄造缺陷，在工藝設(shè)計時應(yīng)充分考慮工裝的設(shè)計、砂型砂芯的排氣、冒口的使用等工藝，以提升鑄造工藝保證能力。

3）可以采用鑄造模擬對鑄造工藝的可行性進行理論模擬，進一步優(yōu)化鑄造工藝。