燃氣發動機機體鑄造工藝設計

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研究中心，四川 宜賓 644000）

1 鑄件結構分析

鑄件共計9 缸，材質為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：曲軸軸承區域、橫拉螺栓區域、凸輪軸軸承部位、氣缸套下部和上部支撐部位、機體安裝腳板部位，需進行超聲波探傷[2]。鑄件三維示意如圖1所示，鑄件驗收力學性能及金相要求如表1 所示。

表1 力學性能及金相要求

圖1 鑄件三維結構

2 工藝設計

2.1 工藝方案

2.1.1 工藝難點

（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1.6 cm，其中地腳板、瓦座及凸輪孔區域壁厚較厚，而鑄件兩側曲柄箱窗口位置壁薄，不利于順序凝固，補縮難度高[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置不同縮尺。

2.1.2 工藝方案

結合我司內部生產大型燃氣發動機鑄件的生產經驗，采用地腳板朝上的組芯工藝進行生產，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行補縮[4]。鑄件壁厚突變的重要區域安置冷鐵降低模數，實現順序凝固，澆注系統采用開放式結構，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；長度方向縮尺設置為10‰，寬度、高度方向設置為9‰；對油管進行烘烤和防護，采用張拉應力工藝解決油管變形問題。

2.2 工藝設計

2.2.1 澆注系統設計

為保證澆注過程鐵水平穩上升，選擇底注多級式開放系統進行工藝設計，且阻流截面設置在直澆道。大型缸體經生產經驗及《鑄造工藝》手冊選擇，確定前置澆注時間為110 s，結合奧贊公式[6]計算：

式中：m 為流經阻流截面的金屬總質量，近似為毛坯質量，單位kg；μ 為填充全部型腔時澆注系統阻流截面的流量系數；ρ 為金屬液密度，單位g/cm3；τ 為充型時間，可近似為澆注時間，單位s；g 為重力加速度值，單位cm/s2；Hp為充填型腔時的平均計算壓力頭，單位cm；H0為阻流截面以上液態金屬的靜壓頭，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 設計底注式澆注系統，機體三維鑄造工藝布如圖2 所示。

圖2 澆注系統示意圖

2.2.2 冒口設計

油底殼位置壁薄不均，厚大處130 mm，稍薄處60 mm，易形成熱節造成縮松縮孔，因此使用保溫冒口進行補縮，結合板類公式，可知：

式中：Mc為鑄件模數，Mr為冒口模數。

經三維測量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，f≥1。

保溫冒口體尺寸為?150 mm×160 mm，其模數Mr=2.55 cm，單側設置5 個保溫冒口，如圖3所示。

圖3 冒口布置

2.3 MAGMA 數值仿真

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，鐵液經座包、直澆道，從鑄件兩側流入型腔；在75%時，液面上升速度在0.5 m/s，鐵液充型平穩，不易造成沖砂及鑄件夾砂現象。

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，由于鑄件軸承座、底腳板、軸承螺栓孔等關鍵位置均安置冷鐵，且由于排氣棒體積較小散熱面積大，所以關鍵位置與排氣棒位置凝固速度較快；在凝固率為50%時，關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，橫澆道與內澆口已經凝固，鑄件兩側邊由于壁厚較薄的原因也已開始凝固；在凝固率為100%時，鑄件表面凝固狀態較好，沒出現孤立相區。由于采用底注的澆注方式、散熱面積及鐵液最后進入型腔的因素，底部溫度明顯高于頂部溫度，最終歷經38400 s，鑄件完全凝固。

圖5 缸體凝固過程溫度分布

2.3.3 鑄件缺陷預測

按照Porosity 判據判斷鑄件縮松縮孔缺陷出現的概率及位置，鑄件內部縮松縮孔預測如圖6所示。根據預測結果，鑄件所有孔隙率均在1%左右，經判斷無縮松縮孔出現的風險。

圖6 縮松縮孔分布預測圖

根據MAGAM數值仿真結果可知，鑄造工藝無明顯缺陷，可按鑄造工藝進行試制。

3 樣件試制及質量檢測

采用本工藝對燃氣機進行生產，打磨后對鑄件關鍵位置進行超聲波探傷，按EN12680.3 標準執行，其結果表示：檢測區域未發現超標波行顯示，符合驗收標準。鑄件現場探傷結果如圖7 所示。

圖7 現場探傷結果

將鑄件附鑄試塊送往CNAS 認證檢測機構進行檢測，其理化性能檢測及金相組織檢測結構如表2 所示。

表2 力學性能及金相檢測結果

4 結論

（1）采用多級式開放式澆注系統有利于鐵液平穩澆注。

（2）采用冷鐵改變局部模數加冒口補縮有利于燃氣機鑄件關鍵位置實現順序凝固。

（3）凝固模擬MAGMA 軟件能夠在理論上進行指導鑄件實際生產。