柴油機(jī)機(jī)體鑄造工藝設(shè)計(jì)研究

張聚濤，趙悅光，谷剛，田逢甲（1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 052260；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713105）

柴油機(jī)機(jī)體鑄造工藝設(shè)計(jì)研究

張聚濤[1]，趙悅光[2]，谷剛[2]，田逢甲[2]
（1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 052260；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713105）

研究了某型柴油機(jī)機(jī)體鑄造工藝設(shè)計(jì)，包括難點(diǎn)分析，工藝論證及各項(xiàng)工藝參數(shù)的選擇。通過(guò)對(duì)兩種鑄造工藝的分析，運(yùn)用球墨鑄鐵凝固特點(diǎn)和自補(bǔ)縮能力，合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計(jì)，為后續(xù)柴油機(jī)機(jī)體鑄造提供一定的依據(jù)。

澆注系統(tǒng)；柴油機(jī)機(jī)體；冒口補(bǔ)縮；鑄造工藝

柴油機(jī)是船舶的重要組成部分之一，柴油機(jī)的性能直接影響著船舶的行駛，而作為柴油機(jī)主體部件的機(jī)體，它的性能更是保證柴油機(jī)正常工作的前提，對(duì)鑄件品質(zhì)要求很高。因此，在鑄造過(guò)程中必須設(shè)計(jì)更加合理的鑄造工藝，依據(jù)球墨鑄鐵凝固特點(diǎn)及自補(bǔ)縮能力，對(duì)鑄造工藝選擇、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析討論，保障鑄件成產(chǎn)一次成功，提高鑄件生產(chǎn)品質(zhì)。

1 零件結(jié)構(gòu)特征

該型柴油機(jī)機(jī)體毛坯外型尺寸為3 897× 1 392×1 650（mm）；缸孔中心距：445 mm，缸孔高度為502 mm，內(nèi)部四面均有筋條，缸孔外側(cè)為燃油凸輪軸腔和氣閥凸輪軸腔，機(jī)身凸輪軸兩側(cè)寬度為1 142 mm，凸輪軸與缸孔之間最小壁厚20 mm；底腳板厚度為190 mm；機(jī)身毛坯質(zhì)量13 t, 鑄件液重約為18 t。

鑄件材質(zhì)：QT400-15，要求機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度≥390 MPa，屈服強(qiáng)度≥250 MPa，延伸率≥14%，布氏硬度＝135～185 HBS。圖1為該型柴油機(jī)機(jī)體的三維示意圖。

圖1 柴油機(jī)機(jī)體三維示意圖

2 鑄造工藝難點(diǎn)分析

從機(jī)身的技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，鑄造生產(chǎn)主要難點(diǎn)在于，該型機(jī)體輪廓尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差異大，在曲軸、凸輪軸、缸孔面不允許存在鑄造缺陷。

澆注過(guò)程中即要保證鐵液平穩(wěn)充型，又要避免充型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，避免鐵液溫度過(guò)低引起的冷隔、冷豆等鑄造缺陷，以及球化孕育衰退導(dǎo)致機(jī)械性能不合格，因此，對(duì)鑄造工藝設(shè)計(jì)比較嚴(yán)格，尤其是澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，內(nèi)澆道的引入位置非常重要。

(1)尺寸方面：機(jī)身外型尺寸較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高，對(duì)工裝、模具保障系數(shù)要求高。

(2)內(nèi)部品質(zhì)：機(jī)體要求在曲軸軸承及加強(qiáng)筋處、貫穿拉緊螺栓區(qū)域、凸輪軸軸承、齒輪安裝支撐區(qū)域、缸套上下支撐圈、機(jī)身底腳板等部位進(jìn)行超聲波檢測(cè)。機(jī)身底腳板、主軸承等局部厚大部位組織容易出現(xiàn)縮孔、縮松。

3 針對(duì)鑄造難點(diǎn)采取工藝措施

制造高精度模具是保證鑄件尺寸精度的基礎(chǔ)：為保證鑄件尺寸精度的要求，用木、塑、金結(jié)構(gòu)制造高精度模具，同時(shí)，將凸輪軸、缸孔和主體坭芯連在一起，采用軌道式起模，提高工作效率；主體坭芯在外模上定位，提高配箱的尺寸精度。

借鑒公司生產(chǎn)球墨鑄鐵機(jī)身鑄造工藝方面的成功經(jīng)驗(yàn)，充分運(yùn)用球墨鑄鐵件既趨向同時(shí)凝固，又具有石墨化膨脹自補(bǔ)縮的特點(diǎn)，合理運(yùn)用冒口和冷鐵等工藝手段達(dá)到鑄件內(nèi)部組織致密的要求。

4 鑄造工藝設(shè)計(jì)

4.1 鑄造工藝方案的確定

分析機(jī)身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和以往機(jī)身的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)身有以下兩種生產(chǎn)工藝方案，非別對(duì)兩種方案進(jìn)行分析討論如下。

4.1.1 采用立式澆注系統(tǒng)

柴油機(jī)機(jī)體的立式澆注系統(tǒng)主要是指柴油機(jī)機(jī)體缸孔面朝下、底腳板朝上，這種澆注系統(tǒng)主要是考慮到要保證重要面的材質(zhì)和性能，而缸孔正是柴油機(jī)的重要孔系，因此設(shè)計(jì)這種澆注系統(tǒng)。圖2為立式澆注系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖。

圖2 立式澆注系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖

優(yōu)點(diǎn)：此種方式重要部位在澆筑位置得下部，缸孔垂直，能夠保證主要部位的致密性，從而滿足鑄件的性能要求。

缺點(diǎn)：由于坭芯多,配箱時(shí)積累誤差大,操作煩瑣。

4.1.2 采用平坐平澆方案，排氣側(cè)朝上（如圖3所示）

臥式澆注系統(tǒng)一般較立式澆鑄壓頭小，澆鑄系統(tǒng)位于機(jī)身一側(cè)，內(nèi)澆口一般從缸孔爆發(fā)面?zhèn)然蚯S觀察窗口面引入，圖3為臥式澆鑄系統(tǒng)方案工藝簡(jiǎn)圖，臥式澆注系統(tǒng)適用于中小型直列式柴油機(jī)機(jī)。

圖3 臥式澆鑄系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖

優(yōu)點(diǎn)：坭芯較少，積累誤差小，尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：在上平面容易產(chǎn)生氣孔夾渣等缺陷，底腳板、主軸承等厚大部位容易出現(xiàn)分散性縮松和集中性的縮孔缺陷；但通過(guò)采用冒口補(bǔ)縮，同時(shí)在局部放置冷鐵，可以避免分散的縮松缺陷的發(fā)生，保證鑄件品質(zhì)。

經(jīng)過(guò)兩種方案分析并結(jié)合該型機(jī)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合考慮，決定采用第二種方案對(duì)該機(jī)身工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 分型面的確定

為保證鑄件配箱的尺寸準(zhǔn)確，將鑄件絕大部分放在下型，將分型面放在排氣側(cè)平面上，分型面設(shè)置如圖3所示。

4.3 澆注系統(tǒng)的確定

為了充型平穩(wěn)，利于鑄型排氣，采用底注式澆注系統(tǒng)。考慮到機(jī)身較高，內(nèi)澆口從機(jī)身排氣對(duì)側(cè)中間部位引入。在分型面設(shè)置過(guò)濾系統(tǒng)，保證鐵液純度。圖4為澆注系統(tǒng)引入位置示意圖。

4.4 分芯和組芯

根據(jù)機(jī)身零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將凸輪軸、缸孔和主體坭芯連在一起，在外模上定位，減少因分芯和人為因素帶來(lái)的誤差，保證鑄件的幾何形狀和尺寸精度，下芯按坭芯編號(hào)順序從自由端開始，逐步向另一端下芯，坭芯裝配完畢后，合蓋箱。

圖4 澆注位置引入示意圖

4.5 鑄造工藝參數(shù)的選擇

4.5.1 鑄造收縮率

根據(jù)其它機(jī)身鑄造生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)身鑄件的尺寸、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等特點(diǎn)，確定長(zhǎng)度、寬度、高度方向鑄造收縮率均為為0.9%。

4.5.2 拔模斜度

根據(jù)機(jī)身鑄件的尺寸特點(diǎn)，拔模斜度取1°～3°，按增加壁厚方向做出。

4.5.3 機(jī)械加工余量

根據(jù)機(jī)身的澆注位置和加工精度的要求，機(jī)身缸孔頂面、燃油凸輪軸孔、氣閥凸輪軸孔、缸孔、下平面加工余量為10 mm，機(jī)身兩端面、上平面加工余量為12 mm。

4.6 澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.6.1 澆注系統(tǒng)組員設(shè)計(jì)

柴油機(jī)機(jī)體鑄件外形尺寸為3 897×1 392× 1 650（mm），主要壁厚平均為30 mm，澆注鐵液質(zhì)量為18 000 kg。

液重G = 18 000 kg

1）內(nèi)澆口計(jì)算

查閱鑄造手冊(cè)，對(duì)于澆注質(zhì)量為18 000 kg的球墨鑄鐵的澆注時(shí)間約為90 s。

共9個(gè)內(nèi)澆口，單個(gè)內(nèi)澆口截面積F內(nèi)單＝133/9≈ 14.77（cm2）。

單個(gè)內(nèi)澆道截面尺寸為φ43 mm，實(shí)際采用φ40 mm。

2）直澆道和橫澆道計(jì)算

比例推算，得到各澆道總截面積分別如下：?jiǎn)蝹?cè)直澆道截面尺寸為127÷2＝63.5（cm2）。直澆道截面積約為φ90 mm，實(shí)際采用φ90 mm。

單側(cè)橫澆道截面尺寸為157÷2＝78.5（cm2） 。設(shè)計(jì)為圓形，截面尺寸為：φ100 mm（兩道）。

4.6.2 冒口設(shè)計(jì)

對(duì)于樹脂砂等高強(qiáng)度砂型生產(chǎn)球墨鑄鐵件，設(shè)置冒口是為了補(bǔ)給鑄件的液態(tài)體收縮，當(dāng)液態(tài)收縮終止或共晶膨脹開始時(shí)，需要冒口頸即時(shí)凝固，以利于鑄件全部共晶膨脹壓力補(bǔ)償鑄件的二次收縮以消除鑄件縮松。根據(jù)鑄件凝固分析，需要在澆注位置的地腳板上表面設(shè)置冒口，在每檔缸孔面頂部設(shè)置冒口，一方面對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，另外還可以起到集渣排氣效果，其他機(jī)型工藝方案，共考慮三排冒口，放置在主軸承檔對(duì)應(yīng)的頂部。

冒口的計(jì)算。采用控制壓力冒口對(duì)地腳板部位冒口進(jìn)行計(jì)算。地腳板位于澆注位置的上表面，可看成類似于σ＝95 mm＝9.5 cm的平板，其模數(shù)Ms＝9.5/2＝4.75（cm），冒口體模數(shù)MT＝0.8Ms＝0.8×4.75＝3.8（cm），冒口頸模數(shù)M＝0.6MT＝0.6×3.8＝2.28（cm），圓柱形冒口體MT＝d/4，d＝4MT＝4×3.8＝15.2（cm），取增加系數(shù)f2＝1.5，則冒口體直徑d＝1.5×15.2≈φ22.8（cm）＝φ228（mm），為確保該部位補(bǔ)縮到位，實(shí)際采取冒口直徑為φ230 mm，方形冒口頸M=b/4, b =4M =9.12 ，取縮小系數(shù)f3＝0.9，則圓形冒口頸為9.12×0.9＝8.2 cm，實(shí)際采用冒口頸尺寸為φ90 mm。

4.7 熔煉及澆注工藝

原鐵液化學(xué)成分控制（w%）：C 3.6～3.9，Si 1.45～1.65，Mn 0.15～0.25，P ≤0.06，S ≤0.03。球化劑加入量：1.2%，塊度：10～35 mm，裝入包底，孕育劑選用加入量：0.7%，粒度：2～6 mm，適當(dāng)緊實(shí)；出爐溫度1 460 ℃～1 490 ℃，澆注溫度1 360℃～1 390 ℃。

5 生產(chǎn)驗(yàn)證

依據(jù)以上鑄造工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行投產(chǎn)驗(yàn)證，圖5為該型機(jī)體關(guān)鍵部位的劃線驗(yàn)證情況，通過(guò)劃線驗(yàn)證可以看出，采用該工藝方案機(jī)體各部位劃線情況均比較理想，尺寸精度滿足技術(shù)要求。圖6為機(jī)體加工后狀態(tài)，可以看出機(jī)體內(nèi)部組織致密，厚大部位沒有縮松、縮孔缺陷，滿足技術(shù)要求。

圖5 機(jī)體關(guān)鍵部位劃線驗(yàn)證

圖6 機(jī)體加工驗(yàn)證

6 結(jié)論

1）通過(guò)采用臥式底注澆注系統(tǒng)，不但能夠提高尺寸精度，同時(shí)能夠提高生產(chǎn)效率。

2）合理的澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計(jì)，運(yùn)用球墨鑄鐵凝固原理和自補(bǔ)縮能力，能夠有效提高柴油機(jī)機(jī)體內(nèi)部品質(zhì)，在生產(chǎn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，大大提高了鑄件成品率。

3）該型機(jī)體的鑄造工藝設(shè)計(jì)為后續(xù)柴油機(jī)機(jī)體工藝設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì).鑄造手冊(cè)(第5卷):鑄造工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 李殿中,張玉妥,李依依.澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新啟示[J].特種鑄造及有色合金, (2002)04 – 0020.

[3] 魏兵,袁森,等.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4] 晁革新,趙悅光.大型船用中速柴油機(jī)機(jī)身均衡凝固工藝設(shè)計(jì)[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2015(2).

[5] 王潘興，于建忠，畢海香，等. 大功率柴油機(jī)球鐵機(jī)體鑄造工藝探討[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2015(2).

Optimize on casting technique of diesel engine crankcase

ZHANG JuTao,ZHAO YueGuang, GU Gang,TIAN FengJia
(1.The Fourth Research and Design Engineering Corporation of CNNC, Shijiazhuang 052260,China; 2.Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd.,Xingping 713105, China)

In this paper, we study a certain type of diesel engine crankcase casting process design, including the analysis of the diff i culties and technology demonstration and the process parameters by analysis of two kinds of casting, applying the solidif i cation characteristics of nodular cast iron and the ability of self feeding, reasonable design of gating system and riser design, In order to provide a certain basis for the casting of the diesel engine block.

gating system;engine crankcase; riser feeding;casting process

TG244+.2；

A；

1006-9658（201 6）06-0033-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.01 0

2016-05-23

稿件編號(hào):1605-1389

張聚濤(1981—），男，工程師，主要從事鑄造產(chǎn)品監(jiān)造及管理工作.