大型機(jī)體主油道成型工藝探討

秦 鵬，畢海香，李洪亮，王 浩，吳毓海，胡 清

（1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261108；2.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261108）

柴油機(jī)機(jī)體基本都帶有主油道結(jié)構(gòu)，主油道孔一般為長徑比大的圓孔結(jié)構(gòu)。主油道作為柴油機(jī)整個潤滑系統(tǒng)的最重要的組成部分，對主油道孔的清潔度、密封性能要求都很高，主油道孔內(nèi)不能有縮松、裂紋、夾渣、夾砂等鑄造缺陷。

我公司開發(fā)的大功率船用柴油機(jī)機(jī)體體積大，重量大，其主油道都屬于長徑比大于30：1 的深孔結(jié)構(gòu)。對鑄造工藝技術(shù)帶來很大挑戰(zhàn)。經(jīng)過多年生產(chǎn)驗(yàn)證，總結(jié)各種機(jī)體油道工藝，目前油道生產(chǎn)工藝主要采用三種工藝，砂型鑄造工藝、機(jī)加工工藝、鑲鑄管工藝，這三種工藝各有特點(diǎn)。

1 砂芯鑄造工藝

砂芯鑄造工藝是利用覆膜砂或樹脂砂砂芯成型直接鑄造出細(xì)長的油道孔，如圖1、圖2 所示。

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，鑄造工裝和芯骨可以重復(fù)使用。

但金屬液澆注過程中，長徑比過大的砂芯在熱沖擊和熱輻射作用下，容易出現(xiàn)變形、燒結(jié)和表面開裂等問題，導(dǎo)致澆注后鑄件油道堵塞，清砂困難，甚至報(bào)廢。所以該方法缺點(diǎn)就是油道孔直線度差，后期清理工作量大。

機(jī)體油道直徑大于70 mm 的機(jī)體適合采用該工藝。而且因此鑄造油道的長徑比一般都不能過大。

該方法需要在砂芯內(nèi)部預(yù)埋芯骨，芯骨上有排氣小孔。同時砂芯每隔500 mm 左右設(shè)置工藝孔以防止砂芯斷裂變形，同時方便清砂[1]。

目前我廠大多數(shù)大型機(jī)體主油道采用該工藝。圖1 所示的機(jī)體油道整體長6 m，砂芯太長的話，容易受自重向下彎曲，澆注時因浮力向上拱起，難以保證油道的平直度和壁厚公差。所以在工藝設(shè)計(jì)初期考慮到油道變形問題，將油道分成兩段并與側(cè)邊芯用芯骨連接整體制芯。但加工后清理油道工作量很大，勞動強(qiáng)度大，效率低下，無法完成批量生產(chǎn)需求。圖2 所示的機(jī)體油道把合在下箱，實(shí)際操作時需要將下箱吊起，從砂箱背面通過螺栓將油道砂芯固定在下鑄型。

圖1 主油道與側(cè)邊芯整體制芯

圖2 主油道砂芯把合在下箱

2 油道不鑄出工藝

油道不鑄出工藝，即借助專用刀具用機(jī)械加工方式成型主油道結(jié)構(gòu)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是：主油道孔內(nèi)腔表面質(zhì)量好，精度高，無需打磨。該方式減少了鑄造模具的投資。缺點(diǎn)是需要配備專用刀具，刀具投入大，同時，油道長度大的話不能一次加工完成，需要從兩端加工而成，增加了加工成本。所以該方法適用于主油道孔直徑較小，長度相對較短的機(jī)體。但工藝設(shè)計(jì)時需要重點(diǎn)關(guān)注油道大熱節(jié)部位容易產(chǎn)生縮松缺陷的問題。

例如我廠某款新型機(jī)體油道采用該工藝（見圖3），首批驗(yàn)證加工后發(fā)現(xiàn)主油道內(nèi)有縮松缺陷（見圖4），后續(xù)通過增加冷鐵和保溫冒口配合使用解決了油道縮松問題。

圖3 主油道不鑄出工藝

圖4 主油道孔內(nèi)縮松

3 鑲鑄管工藝

鑲鑄管工藝就是鑄管當(dāng)主油道使用，在研箱過程中將符合要求的無縫鋼管裝配在型腔中，澆注后鐵水與鋼管外表面熔合直接成型。

鑲鑄管工藝相對于砂芯工藝油道的直線度好，粘砂現(xiàn)象少利用清理。缺點(diǎn)是鋼管預(yù)處理麻煩，鋼管選擇不合理或者操作不當(dāng)容易出現(xiàn)鋼管熔合不良或鋼管熔化現(xiàn)象。

長徑比大而且直徑大的油道，而且采用砂芯工藝無法定位時可以采用鑲鑄管工藝。

鑄件內(nèi)部鑲鑄鋼管，由于高溫鐵液注入型腔后，鋼管不僅要承受長時間的鐵液高溫作用，也要承受液態(tài)金屬極大的壓力，因此，鋼管內(nèi)必須填充物質(zhì)，防止鋼管在高溫高壓下變形。我廠近兩年在驗(yàn)證大型機(jī)體主油道鑲鑄管工藝，取得了一定效果。

我廠另外一種機(jī)體鑄件主油道長2 550 mm，內(nèi)徑80 mm，外圍壁厚18 mm.第一批驗(yàn)證鋼管內(nèi)填入干砂，鋼管上下均使用專用隨形芯撐。壁厚8mm 和6 mm 的無縫精軋鋼管，清理后鋼管與凸輪軸內(nèi)腔出現(xiàn)嚴(yán)重冷隔如圖5 所示，鋼管內(nèi)壁粘砂嚴(yán)重，無法清理如圖6 所示，而且使用厚度6 mm 鋼管比厚度8 mm鋼管粘砂嚴(yán)重；解剖后鋼管澆注位置的下方出現(xiàn)分層現(xiàn)象，芯撐周圍也出現(xiàn)融合不好的情況如圖7 所示。對驗(yàn)證過程及結(jié)論進(jìn)行了分析，鋼管內(nèi)的填充物在高溫鐵水的熱作用下產(chǎn)生的氣體無法排出，造成鑄管內(nèi)氣體壓力升高，促進(jìn)了填充物內(nèi)某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低了填充物的熔點(diǎn)，出現(xiàn)了燒結(jié)問題[2]。

圖5 冷隔位置示意圖

圖6 鋼管內(nèi)部粘砂示意圖

圖7 鋼管內(nèi)部缺陷示意圖

第二次驗(yàn)證采用壁厚4.5 mm 的鋼管，鋼管內(nèi)填入混好的堿酚醛樹脂自硬砂，同時將鋼管內(nèi)埋入通氣繩，鋼管上下均使用專用隨形芯撐。清理后鋼管內(nèi)腔可以清理干凈，基本滿足要求如圖8 所示。另外由于鋼管壁厚減小，冷隔褶皺現(xiàn)象較前次減輕許多，如圖9 所示。

圖8 鋼管內(nèi)部示意圖

圖9 冷隔位置示意圖

在上述驗(yàn)證基礎(chǔ)上進(jìn)行了工藝優(yōu)化：1）為鋼管與本體更好地融合選擇了壁厚為3 mm 的無縫鋼管；2）鋼管外表面砂輪小磨頭打磨，去除油漬銹蝕（見圖10）；3）內(nèi)腔填充造型用樹脂砂，預(yù)埋通氣繩延伸至型外（見圖11），防止內(nèi)腔燒結(jié)；4）澆注過程中鋼管會迅速膨脹變長，為保證鋼管的直線度。鋼管兩端和芯型之間預(yù)留一定的間隙（見圖12），確保鋼管在長度方向能夠自由收縮；5）用專用型芯撐對鋼管進(jìn)行全方位的牢固支撐，以避免在澆注過程中彎曲變形。將3 個方位芯撐設(shè)計(jì)成整體（見圖13）.通過解剖結(jié)果可以看出，鋼管內(nèi)腔無粘砂，外部無冷隔，鋼管與本體融合良好（見圖14～圖16）.

圖10 鋼管外壁去銹斑

圖11 鋼管內(nèi)腔填充

圖12 鋼管與鑄型預(yù)留間隙

圖13 專用整體芯撐

圖14 內(nèi)腔無粘砂

圖15 熔合良好

圖16 無冷隔

從上述試驗(yàn)效果可以看出鑲鑄管工藝主要有三點(diǎn)需要解決：鋼管與鑄件本體熔合問題；鋼管內(nèi)壁清潔問題；油道變形彎曲問題。所以主油道鑲鑄管工藝可以從以下幾方面著手：1）鋼管材質(zhì)、壁厚的選?。嚎梢圆捎?0#無縫鋼管，壁厚3 mm～5 mm不等，根據(jù)油道壁厚選擇合適的壁厚；2）鋼管預(yù)處理：表面進(jìn)行拋丸處理，拋丸后需檢驗(yàn)鋼管的直線度是否需要校直；配箱前用噴燈對鐵管進(jìn)行噴火干燥處理，確保沒有生銹現(xiàn)象，有助于鋼管與本體更好熔合；3）鋼管內(nèi)腔填充造型用的樹脂砂，填砂緊實(shí)，并預(yù)埋排氣通道，端頭進(jìn)行封堵避免鉆鐵水，同時預(yù)留鋼管膨脹空間。

4 總結(jié)

對不同機(jī)體油道成型工藝不能一概而論，需要從油道砂芯穩(wěn)定性，鑄管工藝性、工裝投入、加工、清理成本等多方面綜合考慮，選擇最適合的方式。油道直徑大于70 mm，長徑比小于30∶1 的油道適合砂芯鑄造工藝；直徑小于70 mm，且長徑比大于30∶1 的油道采用不鑄出工藝，由加工而成。油道直徑大于70 mm，油道壁厚大于15 mm，且長徑比大于30∶1 的油道可以采用鑲鑄管工藝。