6L240機架鑄造工藝設計

張成永,劉建平

6L240機架是我車間為某公司主柴油機型生產的關鍵產品件之一。該產品質量要求：（1）球化級別要求1～2級；（2）探傷標準：超聲波和表面磁粉探傷（Ⅱ級）；（3）鑄件表面需全身打磨；（4）不允許存在氣孔、縮松、裂紋、夾砂、夾雜等鑄造缺陷；（5）不允許焊補、涂膩子、油漆等任何形式的挽救措施。

產品特點：材質：QT500-7；輪廓尺寸：2752 mm×960 mm×1270mm；氣缸、主軸承檔平均壁厚尺寸為16 mm，最大壁厚105mm，最小壁厚11mm；零件毛重5000kg。屬于典型的壁厚不均勻中、大型鑄件。

圖1 外形結構圖

1 鑄造工藝設計

鑄造工藝設計主要元素有分型面的確定、收縮率和加工余量的確定等，其中以澆注系統位置和冒口尺寸的計算為重點。鑄造工藝設計對于鑄造生產意義重大，一個合理而先進的鑄造工藝方案，對獲得優質鑄件、簡化工藝過程、提高生產率、改善勞動條件以及降低生產成本等起著決定性的作用。

1.1 澆注位置及分型面的確定

分型面是指鑄型組元間的結合面，合理的選擇分型面，對于簡化鑄造工藝、提高生產率、降低成本、提高鑄件質量等都有著直接的關系。分型面的選擇應盡量與澆注位置一致，使兩者協調起來，簡化鑄造工藝，并易于保證鑄件質量。該鑄件由于外觀質量要求高，同時考慮到?70mm和?130mm大孔內腔質量的穩定性和均勻性，選擇如圖2所示的分型方式。

鑄件平面尺寸相對較大，根據其精度要求和鑄造經驗，選擇將鑄件的全部都放在下箱中，保證鑄件的加工定位面和主要的加工面尺寸精度。上箱采用蓋板芯，避免鑄件大平面產生沖砂、起皮、夾渣等鑄造缺陷，整個鑄件位于下箱內，下芯方便，砂芯安放牢固，易于檢查下芯的尺寸，同時采用樹脂砂造型、制芯。分型面和澆注位置如圖2所示。

圖2 分型面的選擇

1.2 加工余量的確定

鑄件質量要求高，尺寸大，且粗加工后要求消除應力退火，為保證有足夠的加工余量，消除變形、校正等尺寸偏差的影響，結合理論經驗要求，我們根據圖紙的加工精度需求，確定零件加工余量在10～15mm，局部6mm。

1.3 收縮率的確定

收縮率又稱鑄造收縮率，是指鑄件從線收縮開始溫度冷卻到室溫時的相對線收縮量。線收縮量不僅與鑄造金屬的收縮率和線收縮起始溫度有關，還與鑄件結構、鑄型種類、澆注系統結構、砂型和砂芯的退讓性等因素有關，為獲得尺寸精度較高的鑄件，通過試生產后檢測鑄件的實際尺寸，修正模樣后，確定收縮率為（7～10）‰。

1.4 起模斜度的確定

為了保證鑄型的順利起模，在原則上不應超出鑄件壁厚公差要求，考慮樹脂砂取模的難度，依據資料和經驗取拔模斜度為1°30′。

1.5 澆注系統的設計

澆注系統是砂型中引導液態金屬進入型腔的通道，合理的澆注系統設計，應根據鑄件的結構、技術條件、合金種類、選擇澆注系統類型，確定引入位置，計算截面尺寸等。

設計原則：使金屬液平穩充型，不沖刷型壁和型芯，不卷入氣架，阻擋夾雜物進入型腔。同時考慮充型過程中溫度場特點和球鐵材質的易氧化特性，選擇充型相對平穩、鐵水飛濺和氧化較小的底注式澆注系統。考慮到擋渣和排渣及控制型內金屬液的溫度梯度，采取半封閉式澆注系統，阻流截面在內澆道上，橫澆道截面最大。故選擇的澆注系統截面比為∑F直∶∑F橫∶∑F內 =2∶2.2∶1。

1.5.1 澆注系統尺寸的確定

1.5.1.1 澆注時間的確定

澆注時間與鑄件結構、材質、鑄型條件、澆注溫度等因數有關，每一個鑄件，都有一個合理的澆注時間與其對應，澆注時間對鑄件質量有重要影響，依據經驗公式

式中 GL=7000,單位為kg。經計算得：t=108.7s。

1.5.1.2 阻流截面積的確定

澆注系統尺寸主要是計算和確定阻流斷面尺寸，按照經驗比例確定其它組元的斷面積。通過流體力學進行簡化合并。采用經驗公式

式中A阻——阻流截面積（cm2）；

GL——流經A阻截面的金屬液重量（kg），GL=7000；

μ——總流量損耗系數，μ=0.45；

t——澆注時間（s），t=108.7；

Hp——平均靜壓力頭高度（cm）。

式中H0——作用于內澆道的液態金屬的靜壓力頭高度（cm）,H0=152.5；

C——鑄件高度（cm），C=127。

Hp=152.5-127/2=89（cm），

∑F內=A阻=48.95cm2，按∑F直∶∑F橫∶∑F內=2∶2.2∶1 計算，∑F直=2×48.95=97.90（cm2），∑F 橫=2.2×48.95=107.6（cm2）。

工藝設計選取直徑為8.5cm的直澆道2道同時澆注，選取梯形內澆道14道，截面上底4cm、下底4.5cm、高0.9cm，選取橫澆道兩側中分4道，截面上底4.5cm，下底5cm，高6cm。

核算澆注系統：∑F 內 =（1/2）×（4+4.5）×0.9×14cm2=53.55cm2，∑F 橫 =（1/2）×（4.5+5）×6×4cm2=114cm2，∑F 直 =2×（1/4）×л×D2=2×（1/4）×3.14×8.52cm2=113.43cm2。 ∑F直、∑F橫、∑F內與理論計算基本吻合。

1.6 澆注速度的設計校核

校核對于結構復雜及大型鑄件，在澆注時間確定后，需要驗算型內液面的上升速度，如差別較大需要矯正澆注時間或更改工藝。

平均液面上升速度為：

式中vL——型內液面上升速度（cm/s）；

Hc——鑄件在澆注位置時的高度（cm），底注式Hc＝C=127；

vL=127/108.7=1.17（cm/s）

查鑄造工（技師、高級技師）中vL數值所列參考值，如太小，需修正。實際計算結果跟參考值相差不大，不需進行澆注速度的調整。

1.7 冒口及冷鐵的設置

球墨鑄鐵件具有糊狀凝固特性，易產生分散性縮松，為了達到均衡凝固的目的，我們采取了控制型內溫度梯度，在厚大熱節處采用冷鐵調整溫度場，保證補縮通道暢通，得到致密的鑄件組織[2]，如圖3所示。同時加強砂型剛度（采用樹脂砂造型），充分利用共晶石墨化膨脹壓力以克服縮松。

圖3 冒口和冷鐵圖

為了更安全、可靠起見，彌補生產中出現工藝條件偏差，在鑄件頂部的兩端設計了2個小冒口，稱安全冒口，用于補充高溫鐵水液態收縮造成的架積虧空，消除因工藝偏差而可能導致的鑄件輕微縮松和缺陷。冒口尺寸的確定根據鑄件兩端厚大厚實部分的模數來確定冒口直徑。通過計算得鑄件兩端厚實部分的模數M鑄=6cm，取安全冒口直徑M徑=R徑/2=0.5M鑄=0.5×6cm=3cm，R徑=6cm。考慮到冷鐵的急冷作用，同時相當于降低了鑄件模數，因此取冒口模數為理論鑄件模數的0.9倍足夠補充液態架積虧空，采用圓柱型冒口，M冒=R冒/2=0.9M鑄=0.9×6cm=4.5cm，D冒=9cm。為增加冒口液態補縮量，生產中取冒口徑直徑（D1）120mm，冒口徑高度（H1）40mm，冒口直徑（D）180mm，高度（H）380mm，如圖3所示。

1.8 化學成分的選擇

QT500-7牌號屬于鐵素架+珠光體為基體的球墨鑄鐵，要求C、Si含量相對較高，C、Si對鑄件的性能有很大的影響，并對鑄件的致密性起著重要的作用。

圖4 6L240機架

碳、硅含量高能提高鑄造性能，增加二次石墨化膨脹量，利于獲得致密鑄件，減少白口傾向，提高石墨的圓整度；但是碳量高易于產生石墨漂浮，特別是厚大件，石墨漂浮更加嚴重。經過多年的實踐，我們選擇碳在3.70%～3.85%；硅對鑄件的低溫沖擊韌性影響極大，實際中選擇Si控制在1.60%～2.50%。

2 生產效果

采用該工藝方案生產的6L240機架，鑄件經劃線檢測，尺寸偏差符合圖紙要求，達到了用戶標準，得到了用戶的認可。鑄件經破壞性解剖驗證無任何縮孔、縮松質量問題，并經超聲波探傷和磁粉探傷檢測內部質量良好，基本達到了零缺陷標準要求。

該機架已生產40臺，裝車使用20臺，加工12臺，未發現影響使用和超越圖紙及技術要求的鑄造缺陷。

3 結論

（1）大型厚大球墨鐵鑄件只要澆注系統設計合理，溫度梯度控制適宜，完全能借助于球鐵石墨化膨脹，實現無冒口鑄造，獲得緊實、致密的鑄件。

（2）對于大型鑄件，采用樹脂砂生產宜采用分散、多道扁平內澆道引入，實現快速、平穩、均勻充型，減少因局部過熱和對樹脂砂的烘烤和沖涮，加劇夾雜物的產生和表面燒結缺陷。

（3）控制溫度場，可采用的有效措施：合理引入鐵水、局部放置冷鐵和液面最高處設置液態補縮的小型冒口，達到局部順序凝固，整架均衡凝固的條件。

（4）為類似牌號材質的成功研制提供了成熟經驗，為大型厚斷面球鐵鑄件的無冒口鑄造奠定了技術儲備，實踐證明工藝上采用冷鐵、冒口跟澆注系統聯合補縮對大的斷面、不均勻厚實的球鐵鑄件是可靠的，具有較廣闊的推廣和應用價值。

[1] 陸一士.鑄造工（技師、高級技師）[M].北京:機械工業出版社,2006:15-20.

[2]機械工業技師考評培訓教材編審委員會.鑄造工-技師培訓教材[M].北京:機械工業出版社,2001:123-137.