中速柴油機灰鐵機體鑄造工藝探討

蔣 輝，李永剛，李文鋒，耿建華，劉繼波

為滿足船機市場更新換代的需求，我廠開發了WHM160系列柴油機，機體作為發動機的各機構、各系統的裝配基礎，是柴油機重要零部件之一，對其強度以及精度有很高的要求；同時對機體有較高的密封要求，不允許有任何缺陷。

機體輪廓尺寸為：1861mm×500mm×740mm；缸孔直徑：189mm；缸距：225mm；主要壁厚：10mm；毛坯重量：1100t；材質：HT250。鑄件結構見圖1。

圖1 機體WHM8160機體鑄件結構圖

1 鑄造工藝方案

1.1 鑄造工藝方案分析

1.1.1 鑄件結構分析

該柴油機機體是中型灰鐵機體，內腔結構主要由兩部分組成，其中一部分采用濕式水套結構，水套與缸孔相連且與其下方的軸承擋、曲軸箱腔體相連，另一部分是外部水腔。結構設計較為簡潔，其中難點是：外部水腔與每一缸水套結構通過截面尺寸為40mm×50mm的進水孔相連，與前端面通過?60mm進水孔相通之外，并無其它連接，外部水腔芯的定位和固定非常困難，極易在澆注過程中造成漂芯鑄造缺陷。

1.1.2 臥澆工藝分析

以缸孔中心為分型面，將鑄型分為上下兩部分（見圖2），根據產品結構和工藝要求，需要8顆缸芯，2顆端芯，3顆外部水腔芯（分段），共3種13顆砂芯。

圖2 臥澆工藝

臥澆工藝特點：

（1）對模板與砂箱的定位尺寸要求嚴格，鑄件幾何形狀容易保障；

（2）砂芯數量少，組芯研箱工作量低，鑄型尺寸精度高[1]；

（3）鐵液靜壓力頭小，澆注后期沖型速度慢，補縮能力差；

（4）澆注時排氣較為不暢；

（5）外部水腔芯與缸芯之間定位困難。1.1.3 立澆工藝分析

（1）將缸孔朝上，機體高度方向中間位置為分型面，分為上下兩箱，除了臥澆工藝中的砂芯，還需要左、右側砂芯。

工藝特點：1）對模板與砂箱的定位尺寸要求相對寬松；

2）砂芯數量多，制芯與研箱的工作量大。

（2）將缸孔朝下，采用劈箱造型工藝，除上、下鑄型以及臥澆工藝中缸芯和外部水腔芯外，還有前、后端以及左、右側砂型。

工藝特點：1）砂型數量多，造型與合箱的工作量大；

2）因需要砂箱之間配合定位，對砂箱質量要求高，且模板結構復雜[2]。

其它共同特點：1）鐵液靜壓力頭大，有利于沖型和補縮；

2）外部水腔芯需要在下完缸芯后再固定到缸芯上，操作復雜；

3）澆注時鐵液流向與機體的上下結構保持一致，有利于鐵液的充型及排氣。

1.1.4 工藝方案的確定

經過以上分析，立澆工藝較為復雜，最終選擇臥澆工藝。外部水腔芯底部設計工藝孔，以便于布置芯頭用于定位。

1.2 鑄造工藝方案設計

1.2.1 造型

結合我廠生產經驗，采用堿酚醛自硬砂造型，金屬標準模板。

1.2.2 制芯

為保證鑄件尺寸精度，提高生產效率，降低工人勞動強度，所需砂芯全部采用三乙胺冷芯盒制芯，采用浸涂或刷涂醇基涂料，表干爐在150～190℃烘干35min工藝。其中外部水腔芯使用鋯英粉涂料，有較好的防粘砂效果。

1.2.3 下芯

在組芯胎具上預組整體芯，再用下芯吊具整體下芯（見圖3）。其中缸芯與端芯芯頭處共有3處螺栓孔，用于把緊整體芯（見圖4）。

2 鑄造工藝設計

2.1 鑄造工藝參數的設定

圖3 組芯圖

圖4 缸芯與端芯

鑄造收縮率：根據我廠經驗數據，外模長度方向1.1%，整體芯長度方向1.0%，其余均取1%。

鑄件加工余量：缸孔及凸輪軸孔加工余量5.5mm，其余位置加工余量5mm。

工藝補正：按照以往經驗數據，缸芯缸孔部分收縮正常，軸承擋部分長度方向收縮受阻，越遠離中心體現越明顯，所以第1和第9軸承擋厚度方向，向鑄件中心補正2.0mm，其余軸承擋因牽扯缸芯通用，無法單獨設置工藝補正。

2.2 澆注系統的設計

本次工藝采取階梯式澆注系統、開放式澆注系統，底層內澆道設置在鑄件底部，第二層內澆道設置在軸承擋處，鐵水從橫澆道引出，而非直接從直澆道引出，工藝簡圖見圖5。

2.3 排氣系統設計

排氣系統分為兩部分，一部分砂芯排氣，在缸芯頂部鉆孔，上砂型兩側設計出氣片，缸芯觀察窗處設計出氣針，見圖5-2。

另一部分是型腔排氣，設計在砂型最高處，以及機體前后端面，見圖5-1。

2.4 熔煉及澆注工藝

熔煉工藝：采用電爐熔煉，Cu-Cr合金強化工藝，原鐵水化學成分控制范圍見表1，采用硅鋇孕育劑（加入量0.2%～0.6%）及沖入法進行爐前處理，終成分控制范圍見表2。

表1 原鐵水化學成分

表2 鐵水最終化學成分

圖5 -1 機體鑄造工藝簡圖

圖5 -2 機體鑄造工藝簡圖

鐵水精煉：電爐內熔化升溫至1400℃和1500℃時，斷電靜置后除渣。爐前處理結束后，使用集渣劑扒渣三次。

澆注工藝：采用傾斜澆注工藝，澆口箱放在位置較高一側（見圖5-2），澆注溫度范圍控制在1340～1385℃，使用硅鋯孕育劑進行隨流孕育，孕育量0.08%～0.12%。

2.5 冷卻時間的確定

為加速冷卻，采用澆注5小時后開上箱，24小時后打箱的工藝。圖6-7是用遠紅外測溫儀檢測到的數據，數據驗證了該工藝是合適的。

3 工藝模擬優化

用MAGMA軟件對該工藝進行模擬，主要模擬沖型和冷卻過程，經模擬發現：（1）分直澆道在澆注過程中一直處于充不滿狀態，鐵液在該處有較大的卷氣現象；（2）最外側兩個第二層內澆道出現提前進鐵液現象，易形成鐵豆和冷隔缺陷（見圖8）。

圖6 機體上箱溫度

圖7 機體下箱溫度

改進措施：（1）在分直澆道下方設計阻流截面積，保證在澆筑過程中分直澆道一致保持充滿狀態，以減少澆注過程中卷氣及氧化夾雜物的產生；（2）增加最外側兩個第二層內澆道下方內澆口的截面積，減小該處鐵液壓力。

圖8 第一次模擬

改進后對新工藝再次進行模擬，模擬結果顯示已解決以上問題（見圖9）。

4 工藝驗證

對以上工藝進行小批量驗證，結果如下：

4.1 鑄造缺陷

圖9 第二次模擬

圖10 合格機體毛坯

驗證過程鑄件未出現砂眼、氣孔缺陷，仍需在批量生產中驗證。

4.2 尺寸問題

經解剖檢驗，鑄件關鍵部位壁厚符合要求，水道芯固定到位無漂芯現象。

通過三維掃描儀收集鑄件輪廓數據，并與標準三維模型對比，重點檢查鑄件螺孔搭子位置尺寸，收縮率等均在工藝要求范圍內（見圖11）。

圖11 三維掃描機體外輪廓

5 結論

（1）對于中型柴油機灰鐵機體，采用臥澆工藝可大大減小工藝復雜程度，采用傾斜澆注，合理布置排氣系統，有利于鐵液沖型和排氣。 （2）采用數值模擬軟件對鑄件沖型和凝固過程進行模擬，發現鑄造工藝的不合理之處，有效地提高了鑄造工藝的成功率。

（3）采用三維掃描儀可有效收集鑄件輪廓尺寸，可對鑄件進行全尺寸測量，為收縮率的調整、工藝補正的設計等提供了強大的數據支持，為鑄件輪廓尺寸檢測提供了新方法。

[1] 王泮興，于建忠，畢海香，等.大功率柴油機球鐵機體鑄造工藝探討[J].中國鑄造裝備與技術,2015(02):22-26.

[2] 馬素娟，姬愛青.CW200大馬力機體鑄造工藝設計[J].鑄造設備與工藝,2017(03):13-15.