大型發(fā)動機曲軸鐵型覆砂工藝改進

楊 佳，商崇元，晏祥志

（廣西玉柴機器配件制造有限公司，廣西玉林 537005）

大型鑄件在鐵型覆砂工藝鑄造中并不少見，然而對于大型發(fā)動機曲軸類大斷面、橫向尺寸較大的鑄件，鐵型覆砂鑄造工藝仍然缺乏經(jīng)驗。尤其曲軸作為發(fā)動機一大重要組成部件，承受連桿傳來的力，并對外輸出轉(zhuǎn)矩。在發(fā)動機工作中，曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期性變化的氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用使曲軸承受彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷，因此要求曲軸鑄件具有足夠的剛度和強度，各工作表面要耐磨而且潤滑良好[1]，以保證其使用壽命和安全可靠性。

我公司開發(fā)的鐵型覆砂C3000 曲軸在前期生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，冷氣隔（圖1）、渣眼（圖2）、砂眼（圖3）等鑄造不良率居高不下。不良因素嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的強度，削弱鑄件承受載荷的能力，降低鑄件的機械性能，甚至產(chǎn)生斷裂，使用壽命和可靠性無法獲得保障。因此，解決這幾類缺陷問題勢在必行，然而解決問題的措施大而寬泛，本文結(jié)合前期生產(chǎn)質(zhì)量問題產(chǎn)生的原理、位置，對鐵型覆砂鑄造工藝做出合理改進，最終控制缺陷的形成。

圖1 冷氣隔缺陷

圖2 渣眼

圖3 砂眼

1 曲軸鑄件缺陷形成情況

1.1 冷氣隔

冷氣隔即鑄件上穿透或不穿透的縫隙，邊緣呈圓角狀，由充型金屬流股匯合時熔合不良造成的[2]。根據(jù)常規(guī)鑄件冷氣隔產(chǎn)生原因分析，其產(chǎn)生的直接和間接因素是：澆注溫度、速度不穩(wěn)定，澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理，鐵水成分工藝不合適，鑄型透氣性差，轉(zhuǎn)包工藝復(fù)雜鐵水質(zhì)量難以控制等。反觀實際C3000 改進前的產(chǎn)品，冷氣隔缺陷80%出現(xiàn)于鑄型最高點。借鑒以往鑄件冷氣隔缺陷處理方法，同時借助模擬分析改進工藝，再經(jīng)過多次產(chǎn)品試制經(jīng)驗總結(jié)，提出有效解決措施：增加鐵水充型靜壓力，改進排氣方案；優(yōu)化澆注系統(tǒng)、熔化工藝。

1.2 砂眼

砂眼即鑄件內(nèi)部或表面包裹砂粒、砂塊或其他造型材料的孔洞[2]。常見鑄造砂眼產(chǎn)生的原因多為：合箱前，型腔內(nèi)的浮砂未清理干凈；合箱過程操作不當(dāng)，致使內(nèi)腔覆砂層產(chǎn)生塌型、掉砂等；合箱后澆注系統(tǒng)掉入砂塊、砂粒；或是涂料夾渣等原因。而前產(chǎn)品砂眼主要位于曲軸端頭，在多個主軸頸、連桿頸及平衡塊表面均存在此缺陷。曲軸鑄造工藝結(jié)合常規(guī)砂眼問題處理方法，并針對性的不斷改進工藝，最終找出解決砂眼問題的主要措施為：優(yōu)化砂箱結(jié)構(gòu)，改進造型覆砂層。

1.3 渣眼

渣眼是在金屬液中的一些非金屬夾雜物、難熔高熔點合金、金屬化合物等在型腔中相互作用后凝固在鑄件上的產(chǎn)物[2]。究其成因：熔煉金屬液時加入的熔劑和形成的熔渣；金屬液澆注中產(chǎn)生二次氧化，形成氧化夾渣；金屬液含硫量過高時，會和Mn 元素發(fā)生反應(yīng)生成MnS 夾雜物等。但在生產(chǎn)過程中渣眼的成因是出于過濾網(wǎng)本身，對此本文采取更換過濾網(wǎng)的措施來改進渣眼問題。

2 工藝改進

2.1 氣隔解決方案

不良品冷氣隔主要位于鑄型最高點，即2、5拐（如圖4 所示深色位置）。經(jīng)模擬分析，發(fā)現(xiàn)鑄型在澆注后期的充型速度變慢，充型能力變差，甚至有短暫澆不進的情形，說明鐵液受到型腔氣壓反作用比較大。這種情況下，鐵液自身壓力差傳遞不足；型腔的氣無法及時得到排出，阻礙了鐵液的流動。對應(yīng)的具體整改措施如下。

圖4 冷氣隔位置

2.1.1 提高鐵液靜壓力

將澆口杯高度由原來的200mm 提高到300mm～350mm，加大澆口杯與鑄型最高點的高度差，以獲得澆口杯與鑄型鐵液兩個最高點之間的壓力差，提高鐵水的充型能力（如圖5 所示）。

圖5 澆口杯改進前后

2.1.2 設(shè)置排氣孔

對鐵型進行工藝優(yōu)化改進，在2、5 拐最高點及其他必要位置設(shè)置排氣孔。排氣針（工裝）從上鐵型背面安裝并隨鐵型一起射型，安裝后排氣針（工裝）與模具之間約有10mm 左右的覆砂間隙，射型完畢再從鐵型背面取下排氣針（工裝），使得排氣孔位置鐵型上表面與鑄型之間只剩下10mm左右的覆砂厚度，相對之前不透氣的鐵型或厚厚的滿是覆膜砂的射孔，排氣能力更加強大，從而解決了鑄型排氣性差的問題。設(shè)計排氣針結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 排氣針結(jié)構(gòu)

2.2 冷隔的改善

冷隔的產(chǎn)生受鐵液溫度直接影響，在一定的溫度下，澆注系統(tǒng)的設(shè)計是鐵液充型能力的關(guān)鍵所在，通過模擬分析，發(fā)現(xiàn)原有的澆注系統(tǒng)橫澆道設(shè)計不合理，導(dǎo)致鐵液充型慢，冷卻快，能量損失大，不利于鐵液的充型、補縮（如圖7 所示）。對應(yīng)的具體整改措施如下。

圖7 澆注系統(tǒng)模擬

2.2.1 優(yōu)化澆注系統(tǒng)

在合理范圍之內(nèi)增大原有的橫澆道截面積（如圖8），以使新澆注系統(tǒng)保證鐵液的充型溫度和速度。

2.2.2 優(yōu)化內(nèi)澆口位置

圖8 橫澆道改進措施

圖9 原澆注系統(tǒng)

圖10 改進后澆注系統(tǒng)

在找到合適澆注系統(tǒng)各澆道截面比例的基礎(chǔ)上，進水口的位置也會直接影響鑄件的充型效果。當(dāng)鐵水由原本的第二、五連桿頸位置（如圖9）進入型腔時，冷氣隔現(xiàn)象未減少。通過模擬輔助分析，將內(nèi)澆口位置改為由第五、八平衡塊位置（如圖10）進入型腔，減少了鐵水從2、5 連桿頸吊芯下部通過的折彎造成的鐵液速度和能量的損失，達到減少冷隔的目的。

2.2.3 優(yōu)化熔化工藝

熔化工藝改轉(zhuǎn)包工藝為非轉(zhuǎn)包工藝，通過試制的試塊檢驗（如表1、表2）知，該工藝下的試塊性能合格率較高，性能整體都較轉(zhuǎn)包工藝好，在性能控制方面也相對較穩(wěn)定。與此同時，非轉(zhuǎn)包工藝可使出鐵溫度、澆注溫度方面均比正常工藝可控度高，且更容易保證澆注溫度。此外，熔化工藝進行多次澆注溫度調(diào)整試驗，最終確定最佳澆注溫度1350～1420℃。調(diào)整了碳含量，由原來的3.65%～3.85%調(diào)整為3.75%～3.85%，保證碳當(dāng)量，增加流動性，保證充型效果。

表1 試塊性能合格率

表2 試塊物理性能對比

2.3 砂眼的改善

在鐵型覆砂工藝造型工藝中，鑄造常有的崩砂、空殼都是形成砂眼缺陷的重要原因。通過大量的數(shù)據(jù)收集確認(rèn)，空殼主要集中在第二、第五連桿頸處，容易造成兩個位置的崩砂多肉；橫澆道周邊的覆砂層只有4～6mm，澆注系統(tǒng)4～6mm 的覆砂層經(jīng)過鐵液長時間的烘烤和沖刷，更容易產(chǎn)生收縮拉裂和強度衰減，形成砂眼，這從澆注系統(tǒng)拋丸的外觀可以得到論證。因此對于鐵型覆砂工藝大鑄件，覆砂層與澆注時間都會成為影響砂眼缺陷的因素。

2.3.1 優(yōu)化砂箱結(jié)構(gòu)

圖11 鐵型增加射砂孔橫槽及加大橫澆道覆砂層

在容易出現(xiàn)空殼位置的第二、第五連桿頸處射砂孔增加橫槽（如圖11 所示），加大覆膜砂從射孔通向空殼位置的路徑，延長覆膜砂定向固化時間，加大覆砂充型能力；此外，采取射砂孔型腔面增加倒角，以改善射砂壓力角和擴散面積，提升覆膜砂的流動性，杜絕空殼問題。

2.3.2 加厚橫澆道覆砂層

覆砂層的強度不足時，產(chǎn)生崩砂風(fēng)險極大，影響鑄件質(zhì)量。當(dāng)對經(jīng)常出現(xiàn)崩砂的橫澆道覆砂厚度進行檢查確認(rèn)時發(fā)現(xiàn)，橫澆道周邊的覆砂層只有4～6mm，比正常生產(chǎn)的中小件產(chǎn)品覆砂層還要薄。覆砂高溫收縮拉裂，容易與鐵型砂箱剝離脫落沖入鐵水，導(dǎo)致砂眼。于是將鐵型澆注系統(tǒng)橫澆道在隨模具橫澆道加大截面的基礎(chǔ)上再對鐵型進行處理，保證澆注系統(tǒng)覆砂層厚度10～12mm 左右（如圖12），增加覆膜砂層厚度，提高抗高溫強度，減少鐵液沖刷造成的砂眼。

圖12 被沖破纖維濾網(wǎng)的澆注系統(tǒng)解剖圖

2.4 渣眼的改善

渣眼主要分布在2、5 拐附近，占22.7%；缺陷面積大，且成片。經(jīng)過對澆注系統(tǒng)解剖，發(fā)現(xiàn)很多用于鐵水過濾的纖維過濾網(wǎng)變形破裂（圖12），已經(jīng)無過濾鐵水雜質(zhì)的作用，反而使過濾網(wǎng)本身被沖破進入鑄型后，其自身成為了一種雜質(zhì)。分析認(rèn)為：渣眼的主要來源為過濾網(wǎng)，由于大型曲軸鐵液量和澆注時間都比普通鑄件多，原有的纖維過濾網(wǎng)過濾量超過了本身的過濾能力，不足以支撐C3000 曲軸鐵液長時間的高溫沖刷而造成斷裂。

從長期的生產(chǎn)成本考慮，調(diào)整選用的纖維過濾網(wǎng)。纖維過濾網(wǎng)在高溫、高壓和沖擊的環(huán)境中工作，其最高工作溫度和過濾能力是評價纖維過濾網(wǎng)強度的重要指標(biāo)[4]。在幾種纖維濾網(wǎng)的高溫強度測試中，三股繩玻璃纖維濾網(wǎng)獨樹一幟。因此，三股濾網(wǎng)替代原來的普通玻璃纖維濾網(wǎng)生產(chǎn)成為新的優(yōu)化方案（如圖13 所示），驗證其使用效果如圖14 所示時，發(fā)現(xiàn)并無破損現(xiàn)象。

3 結(jié)論

對大型發(fā)動機曲軸鐵型覆砂工藝優(yōu)化改進后，成熟的工藝應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，經(jīng)長期的生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品的冷隔、氣隔、砂眼、渣眼等不良得到明顯改善，綜合廢品率由原來的23.9%下降到5%以內(nèi)，有效的降低了該產(chǎn)品的質(zhì)量成本。

圖13 新舊濾網(wǎng)對比圖

圖14 三股濾網(wǎng)使用效果