燃?xì)獍l(fā)動機(jī)機(jī)體鑄造工藝設(shè)計(jì)

夏奇兵，姜 紹，陳 楊，李小龍，陳光金，劉 杰，王 宣，趙 耀，魯晨光

（1.宜賓普什聯(lián)動科技有限公司，四川 宜賓 644000；2.四川省動力零部件制造工程技術(shù)研究中心，四川 宜賓 644000）

1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

鑄件共計(jì)9 缸，材質(zhì)為EN-GJS-400-15[1]，輪廓尺寸3565 mm×1110 mm×1380 mm，澆注重量12000 kg。鑄件主要壁厚40 mm，最大壁厚150 mm，最小壁厚16 mm，其壁厚溫差較大。鑄件重要部位：曲軸軸承區(qū)域、橫拉螺栓區(qū)域、凸輪軸軸承部位、氣缸套下部和上部支撐部位、機(jī)體安裝腳板部位，需進(jìn)行超聲波探傷[2]。鑄件三維示意如圖1所示，鑄件驗(yàn)收力學(xué)性能及金相要求如表1 所示。

表1 力學(xué)性能及金相要求

圖1 鑄件三維結(jié)構(gòu)

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝方案

2.1.1 工藝難點(diǎn)

（1）鑄件壁厚尺寸極不均勻。最大壁厚150 mm，最小壁厚16 mm，整體模數(shù)1.6 cm，其中地腳板、瓦座及凸輪孔區(qū)域壁厚較厚，而鑄件兩側(cè)曲柄箱窗口位置壁薄，不利于順序凝固，補(bǔ)縮難度高[3]。

（2）鑄件收縮比較大。長寬高三個方向尺寸差別較大，比例為3.2:1:1.2，鑄件收縮不一致，對鑄件不同收縮方向設(shè)置不同縮尺。

2.1.2 工藝方案

結(jié)合我司內(nèi)部生產(chǎn)大型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)鑄件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用地腳板朝上的組芯工藝進(jìn)行生產(chǎn)，且在油底殼面上安置足夠的保溫冒口對油底殼面厚大位置進(jìn)行補(bǔ)縮[4]。鑄件壁厚突變的重要區(qū)域安置冷鐵降低模數(shù)，實(shí)現(xiàn)順序凝固，澆注系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)，澆口比為1:2.2:1.1:2.1[5]，將鐵水流速控制在1.2 m/s 以下；長度方向縮尺設(shè)置為10‰，寬度、高度方向設(shè)置為9‰；對油管進(jìn)行烘烤和防護(hù)，采用張拉應(yīng)力工藝解決油管變形問題。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

2.2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證澆注過程鐵水平穩(wěn)上升，選擇底注多級式開放系統(tǒng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，且阻流截面設(shè)置在直澆道。大型缸體經(jīng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及《鑄造工藝》手冊選擇，確定前置澆注時(shí)間為110 s，結(jié)合奧贊公式[6]計(jì)算：

式中：m 為流經(jīng)阻流截面的金屬總質(zhì)量，近似為毛坯質(zhì)量，單位kg；μ 為填充全部型腔時(shí)澆注系統(tǒng)阻流截面的流量系數(shù)；ρ 為金屬液密度，單位g/cm3；τ 為充型時(shí)間，可近似為澆注時(shí)間，單位s；g 為重力加速度值，單位cm/s2；Hp為充填型腔時(shí)的平均計(jì)算壓力頭，單位cm；H0為阻流截面以上液態(tài)金屬的靜壓頭，單位cm；P 為阻流截面以上的型腔高度，單位cm。

已知m=12000 kg，ρ=7.1×10-6kg/mm3，由于是干型中等阻力樹脂砂鑄鐵件，μ 初步取值為0.48，τ=110 s，g=10×103mm/s2，H0=199 cm，P=144 cm。

選值得：S阻=63.58 cm2（?90 mm 陶管）

按照截面比1:2.2:1.1:2.1 設(shè)計(jì)底注式澆注系統(tǒng)，機(jī)體三維鑄造工藝布如圖2 所示。

圖2 澆注系統(tǒng)示意圖

2.2.2 冒口設(shè)計(jì)

油底殼位置壁薄不均，厚大處130 mm，稍薄處60 mm，易形成熱節(jié)造成縮松縮孔，因此使用保溫冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，結(jié)合板類公式，可知：

式中：Mc為鑄件模數(shù)，Mr為冒口模數(shù)。

經(jīng)三維測量Mc=2 cm，對于普通冒口，Kr=Kc。上式可寫為Mr=fMc，其中f 為冒口安全系數(shù)，f≥1。

保溫冒口體尺寸為?150 mm×160 mm，其模數(shù)Mr=2.55 cm，單側(cè)設(shè)置5 個保溫冒口，如圖3所示。

圖3 冒口布置

2.3 MAGMA 數(shù)值仿真

2.3.1 充型模擬

缸體充型過程的速度如圖4 所示。從圖中可知，在充型25%時(shí)，鐵液經(jīng)座包、直澆道，從鑄件兩側(cè)流入型腔；在75%時(shí)，液面上升速度在0.5 m/s，鐵液充型平穩(wěn)，不易造成沖砂及鑄件夾砂現(xiàn)象。

圖4 缸體充型過程速度圖

2.3.2 凝固模擬

缸體凝固過程的溫度分布如圖5 所示。在凝固率為25%時(shí)，由于鑄件軸承座、底腳板、軸承螺栓孔等關(guān)鍵位置均安置冷鐵，且由于排氣棒體積較小散熱面積大，所以關(guān)鍵位置與排氣棒位置凝固速度較快；在凝固率為50%時(shí)，關(guān)鍵位置及排氣棒位置的鐵水溫度已降低至固相線以下，其余位置仍在固相線以上；在凝固率為75%時(shí)，橫澆道與內(nèi)澆口已經(jīng)凝固，鑄件兩側(cè)邊由于壁厚較薄的原因也已開始凝固；在凝固率為100%時(shí)，鑄件表面凝固狀態(tài)較好，沒出現(xiàn)孤立相區(qū)。由于采用底注的澆注方式、散熱面積及鐵液最后進(jìn)入型腔的因素，底部溫度明顯高于頂部溫度，最終歷經(jīng)38400 s，鑄件完全凝固。

圖5 缸體凝固過程溫度分布

2.3.3 鑄件缺陷預(yù)測

按照Porosity 判據(jù)判斷鑄件縮松縮孔缺陷出現(xiàn)的概率及位置，鑄件內(nèi)部縮松縮孔預(yù)測如圖6所示。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，鑄件所有孔隙率均在1%左右，經(jīng)判斷無縮松縮孔出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 縮松縮孔分布預(yù)測圖

根據(jù)MAGAM數(shù)值仿真結(jié)果可知，鑄造工藝無明顯缺陷，可按鑄造工藝進(jìn)行試制。

3 樣件試制及質(zhì)量檢測

采用本工藝對燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，打磨后對鑄件關(guān)鍵位置進(jìn)行超聲波探傷，按EN12680.3 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其結(jié)果表示：檢測區(qū)域未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)波行顯示，符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。鑄件現(xiàn)場探傷結(jié)果如圖7 所示。

圖7 現(xiàn)場探傷結(jié)果

將鑄件附鑄試塊送往CNAS 認(rèn)證檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測，其理化性能檢測及金相組織檢測結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表2 力學(xué)性能及金相檢測結(jié)果

4 結(jié)論

（1）采用多級式開放式澆注系統(tǒng)有利于鐵液平穩(wěn)澆注。

（2）采用冷鐵改變局部模數(shù)加冒口補(bǔ)縮有利于燃?xì)鈾C(jī)鑄件關(guān)鍵位置實(shí)現(xiàn)順序凝固。

（3）凝固模擬MAGMA 軟件能夠在理論上進(jìn)行指導(dǎo)鑄件實(shí)際生產(chǎn)。