大型蠕墨鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 262208）

氣缸蓋為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，其鑄造工藝性的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。蠕墨鑄鐵作為一種新型的鑄鐵材料在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用，其具有接近于球墨鑄鐵的力學(xué)性能，又具有與灰鐵的相似的良好的減振和導(dǎo)熱性能，但該種材料同時(shí)也具有很強(qiáng)的縮松傾向。某型柴油機(jī)是我公司自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新一代大型高端船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其缸蓋采用蠕墨鑄鐵材料，壁厚不均、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文主要是對(duì)該氣缸蓋工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，通過(guò)采用整體組芯、平組立澆工藝，同時(shí)配合冒口和冷鐵使用，順利實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 氣缸蓋結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

該氣缸蓋毛坯重約265 kg，外形輪廓尺寸為600 mm×396 mm×380 mm，基本壁厚10 mm，最大壁厚80 mm.該氣缸蓋壁厚不均，存在局部厚大位置，易產(chǎn)生縮松缺陷。鑄件材質(zhì)為RuT400，要求鑄件本體抗拉強(qiáng)度≥400 MPa，硬度180HBW-240HBW，蠕化率≥80%，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝分析及流程設(shè)計(jì)

對(duì)氣缸蓋工藝設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮厚大位置縮松問(wèn)題，該缸蓋厚大位置主要集中在主油道孔、噴油器位置，如圖2 所示。噴油器位置作為缸蓋中心，為傳統(tǒng)的易縮松位置。同時(shí)由于該氣缸蓋后期要加工成多種件號(hào)產(chǎn)品，主油道孔要求不能鑄出，因此存在較大的熱節(jié)。如果采用平澆、底注頂冒工藝可以在主油道上方設(shè)置發(fā)熱冒口，但是由于油道較長(zhǎng)無(wú)法得到完全補(bǔ)縮。

圖2 氣缸蓋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

平組立澆工藝是開(kāi)發(fā)的新型鑄造工藝，該工藝已經(jīng)在高速機(jī)缸蓋上取得成功應(yīng)用。該工藝能夠改善澆冒系統(tǒng)布置，實(shí)現(xiàn)鑄件局部厚大部位的有效補(bǔ)縮，降低鑄件的縮松風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)該氣缸蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)我們選擇整體組芯、平組立澆工藝，即缸蓋前端作為砂型頂部，在主油道上部使用發(fā)熱冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，同時(shí)在噴油器位置配合使用冷鐵。其主要的工藝流程設(shè)計(jì)為：造型、制芯、組芯、浸涂水基涂料、烘干、整體組芯、下芯組研箱、澆注、清理等。

2.2 鑄造工藝參數(shù)

鑄造收縮率為鑄造工藝中最基本的工藝參數(shù)之一，工藝設(shè)計(jì)時(shí)鑄造收縮率選取的正確與否直接影響鑄件的尺寸精度和幾何形狀精度[1-2]。借鑒現(xiàn)有船用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋生產(chǎn)工藝，將氣缸蓋長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的鑄造收縮率均設(shè)計(jì)為1%，砂芯涂料層厚度設(shè)計(jì)為0.3 mm，缸蓋燃燒面加工余量設(shè)計(jì)為6 mm，其他位置加工余量為4 mm.鑄件由上下砂型及13種砂型組成。

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采用平組立澆工藝，為了增加型腔內(nèi)部排氣，實(shí)現(xiàn)澆注過(guò)程的平穩(wěn)，采用底注澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口設(shè)計(jì)在缸蓋進(jìn)排氣道平臺(tái)上，如圖3 所示。澆注系統(tǒng)各組元截面設(shè)計(jì)比例為：F直∶F橫∶F內(nèi)=1.1∶1.7∶1，半封閉式澆注系統(tǒng)，有利于擋渣。同時(shí)為了提高生產(chǎn)效率，采用一箱兩件生產(chǎn)。

2.4 冒口及冷鐵設(shè)計(jì)

為了更好的實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固和補(bǔ)縮，冒口和冷鐵的設(shè)計(jì)使用也至關(guān)重要。根據(jù)熱節(jié)部位大小經(jīng)模數(shù)法計(jì)算分析在主油道頂部選用φ170 mm×210 mm 發(fā)熱保溫冒口。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)噴油器位置的順序凝固，擴(kuò)大冒口的補(bǔ)縮距離，在噴油器位置使用柱狀內(nèi)冷鐵。為保證燃燒面組織致密性，在砂芯燃燒面位置使用外冷鐵。

圖3 缸蓋立澆工藝圖

2.5 造型制芯工藝

造型工藝均為堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝，工藝較為成熟，因此此缸蓋造型采用堿性酚醛樹(shù)脂砂造型。為了避免澆注時(shí)內(nèi)腔砂芯燒結(jié)，上下水腔芯和螺柱孔芯采用覆膜砂熱芯工藝，其他砂芯采用冷芯盒工藝。

2.6 整體組芯

將進(jìn)排氣道芯、水套芯等砂芯與底盤(pán)芯進(jìn)行預(yù)組芯，預(yù)組結(jié)束后將預(yù)組芯和上蓋芯分別浸涂水基涂料，然后進(jìn)窯烘干。烘干后將預(yù)組砂芯與上蓋芯在組芯支架上進(jìn)行整體組芯，同時(shí)用把緊螺栓把緊，把緊后用芯組旋轉(zhuǎn)吊具將整體芯組旋轉(zhuǎn)并下芯研箱，如圖4 所示。

圖4 組芯下芯圖

3 熔煉及蠕化工藝

蠕墨鑄鐵的熔煉澆注是蠕鐵缸蓋生產(chǎn)的關(guān)鍵過(guò)程，采用中頻電爐熔煉原鐵水，采用喂線法進(jìn)行蠕化處理，同時(shí)配合先進(jìn)的蠕化熱分析在線檢測(cè)系統(tǒng)，可確保蠕化率滿足要求。

4 鑄造過(guò)程模擬

為更好的驗(yàn)證工藝的可行性，利用MAGMA 鑄造模擬軟件對(duì)平組平澆和平組立澆兩種工藝鐵水的凝固和縮松趨勢(shì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬分析結(jié)果如圖5 所示。通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，平組平澆工藝在主油道熱節(jié)位置存在縮松，平組立澆工藝未出現(xiàn)縮松。

圖5 縮松模擬示意圖

5 生產(chǎn)驗(yàn)證

工藝設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了首件鑄造生產(chǎn)，并對(duì)鑄件進(jìn)行解剖驗(yàn)證，鑄件內(nèi)部組織致密，未發(fā)現(xiàn)縮松現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)鑄件進(jìn)行劃線檢查，尺寸滿足要求。取本體進(jìn)行性能檢測(cè)，本體蠕化率為85%，抗拉強(qiáng)度為450 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖6 所示。通過(guò)驗(yàn)證，表明該工藝是可行的。

圖6 鑄件解剖情況及金相組織

6 結(jié)論

（1）針對(duì)大型蠕墨鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用整體組芯、平組立澆工藝，能夠有效實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，降低縮松風(fēng)險(xiǎn)。

（2）冷鐵冒口的正確使用能夠進(jìn)一步提高工藝保障能力。

（3）在工藝設(shè)計(jì)階段可借助鑄造模擬技術(shù)對(duì)工藝的可行性進(jìn)行模擬分析，進(jìn)一步優(yōu)化工藝。