某型柴油機箱體鑄造工藝設計研究

高 博，陳曉龍，郭 敏，趙悅光，張長春

(1.海軍駐咸陽地區軍事代表室,陜西興平 713105；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713105)

近年來隨著柴油機向大功率、高強化、低噪音、低排放和高可靠性方向的發展，單個鑄件各功能腔室趨于集成整合，有些關重零部件結構越來越復雜，對鑄件質量提出了更高要求。因此，在鑄造工藝設計中需要綜合多種因素分析，同時在工藝設計中應用集成耦合仿真技術，更加準確分析預測鑄件缺陷并指導鑄造工藝設計，提高鑄造工藝的保障性，縮短研制開發周期，提高鑄件生產質量的穩定性。

1 箱體結構簡介

該型柴油機箱體零件是長方體薄壁腔體結構，外輪廓尺寸約4000mm×500 mm×600 mm，內部包含水腔、氣腔和空腔等獨立腔室，各腔室之間及外壁的主要壁厚是12mm，上、下法蘭的壁厚分別為50mm。該零件總體壁厚較均勻，但個別部位較厚大，形狀結構較復雜，箱體零件重約1600kg，箱體簡圖見圖1。

2 技術要求

圖1 箱體簡圖

箱體材質：QT400-18AR；金相組織：基體組織為鐵素體，其含量≥90%，球化級別1～2 級（球化率≥90%），石墨類型Ⅰ、Ⅱ不允許存在，石墨大小5～7 級；密封性要求：水腔和氣腔進行1.0MPa 水壓試驗，持續30min 無滲漏、冒汗現象；超聲波探傷：按EN 12680.3-2011 要求進行超聲波探傷，重要區域滿足2 級要求，其他區域滿足2～3 級要求。

3 鑄造工藝難點分析

3.1 內部質量要求高

該箱體按EN 12680.3-2011 要求進行超聲波探傷，重要區域滿足2 級要求。雖然該鑄件整體壁厚看起來較均勻，但是整體壁厚薄，主要壁厚只有12mm，局部的孤立熱節多，屬于復雜薄壁腔體類鑄件，容易出現縮孔、縮松缺陷。

3.2 鑄件容易變形

該箱體鑄件整體較長，總長達到3700mm，鑄件凝固時由于溫度場不均勻，容易產生變形。

4 鑄造工藝設計

4.1 澆注位置及分型面

根據多年來的實際生產經驗，以及便于砂芯定位準確可靠的原則，為保證坭芯定位準確、提高尺寸精度，便于配箱尺寸、壁厚的檢查，采用三開箱造型工藝[1]。澆注位置及分型面簡圖見圖2。

圖2 澆注位置及分型面簡圖

4.2 坭芯設計

坭芯設計按照保證尺寸精度、減少坭芯數量、提高定位準確性、方便工人操作的原則。應用三維實體設計軟件優化坭芯設計，避免裝配時砂芯之間干涉，均設計有定位芯頭，保證其定位可靠。坭芯示意圖見圖3。

圖3 坭芯示意圖

4.3 澆冒系統及冷鐵設計

采用帶過濾裝置的底注式澆注系統，鐵水從底部分散引入，金屬液在充型過程中對鑄型的沖擊少，液面上升平穩，有利于保證后進氣箱鑄造質量，澆冒系統設計示意圖見圖4。

4.3.1 澆注系統設計

依據有關資料及近幾年的生產實踐，采用底流速、大流量、開放式澆注系統，鐵水充型平穩，可減少夾砂、二次氧化渣、氣孔等缺陷[2]。本次工藝設計其各單元截面積比例按∑F直:∑F橫:∑F內=1:2:3。

圖4 澆冒系統示意圖

（1）直澆道：選用1 個?80mm 直澆道。

（2）內澆道：采用16 個?35mm 的內澆口。

4.3.2 冒口設計

在鑄件頂部設置共17 個?120mm×180mm（高）的圓柱形保溫冒口，起到型腔排氣和補縮的作用。

4.3.3 冷鐵設計

為防止相對較厚的法蘭、壁厚交叉部位產生縮孔、縮松缺陷，在這些部位設計有外冷鐵，材料為鑄鐵，冷鐵厚度按照熱節厚度的0.5～0.8 倍設計，冷鐵擺放示意圖見圖5。

圖5 箱體冷鐵擺放示意圖

4.4 熔煉及澆注設計[3]

采用中頻爐進行熔煉。為了確保鑄件質量滿足技術文件的要求，應對熔煉、澆注過程嚴格控制，制定熔煉工藝如下：

（1）采用高純生鐵、碳素廢鋼、回爐料化料；

（2）原鐵水化學成分控制（%）：C：3.6～3.9；Si：1.45～1.55；Mn：0.15～0.20；P＜0.04；S≤0.020。

（3）采用三明治球化裝包方法和多級孕育保證機身理化性能。

（4）除渣：爐內進行高溫靜置處理，溫度升至1500～1530℃靜置5～15min；S 含量超過工藝范圍必須進行高溫脫硫處理，避免出現二次氧化夾渣；進行爐內和包內扒渣處理，確保鐵水純凈度。

（5）澆注溫度控制：控制鐵水進入型腔溫度為1350～1370℃，采用槍式測溫儀多次測量，保證鐵水入型溫度滿足工藝要求。

4.5 仿真模擬

應用MAGMA 軟件對箱體鑄造工藝進行仿真模擬。

4.5.1 流場

采用底注開放式，澆注較平穩，具體結構、流場見圖6，從鐵水充型可看出澆注過程平穩，無紊流，同時鐵水在型腔中的流速均小于1m/s，與工藝要求符合。

圖6 流場模擬簡圖

4.5.2 溫度場

由溫度場模擬可以看出，澆注完畢時的溫度場特點為：熱節處溫度較高，靠近內澆口附近溫度較高，整個箱體溫度場較均勻。溫度場模擬照片見圖7。

4.5.3 縮松預測

圖8 為縮松模擬照片，圖中藍色部分致密度大于95%，通過縮松模擬結果可以看出，箱體凝固后整體致密度較高，具有良好的內部質量。

4.5.4 模擬結論

該箱體按此工藝模擬計算后，澆注過程平穩無紊流，工藝合理設置冷鐵后，各熱節凝固時間均衡、縮松傾向小，故合理設置澆冒系統及冷鐵的鑄造工藝可執行。

圖7 溫度場模擬簡圖

圖8 縮松模擬照片

5 結論

在柴油機復雜箱體鑄造工藝設計中運用均衡凝固有限補縮及球墨鑄鐵自補縮，結合澆注系統的合理設計、冒口冷鐵的綜合設計使用，能夠有效提高大型機身鑄件的工藝保障，同時采用鑄造仿真模擬軟件對鑄造工藝進行仿真模擬驗證，確保鑄造工藝設計的合理性，為后續柴油機箱體鑄造工藝設計提供了一定的理論依據。