WD615缸體氣孔缺陷的研究與降低*

□ 劉光清 □ 劉文川 □ 劉明來 □ 張自立

1.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川南充 637130

2.西南內(nèi)燃機(jī)配件總廠 四川南充 637100

3.東風(fēng)南充汽車有限公司 四川南充 637900

WD615缸體氣孔缺陷的研究與降低*

□ 劉光清1□ 劉文川2□ 劉明來1□ 張自立3

1.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川南充 637130

2.西南內(nèi)燃機(jī)配件總廠 四川南充 637100

3.東風(fēng)南充汽車有限公司 四川南充 637900

簡述了WD615氣缸體原傳統(tǒng)鑄造工藝存在的幾個不足的方面，及其在沖天爐熔煉鐵液的生產(chǎn)條件下易產(chǎn)生氣孔等類鑄造缺陷的原鑄造工藝生產(chǎn)狀態(tài)；較詳細(xì)地介紹了應(yīng)用有效澆注時間、加大芯頭技術(shù)等新技術(shù)理念指導(dǎo)其新鑄造工藝方案的設(shè)計(jì)，對該氣缸體的芯頭結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、澆注工藝等方面進(jìn)行了研究、改進(jìn)和優(yōu)化，較好地解決了該氣缸體原鑄造工藝易出現(xiàn)的氣孔、冷隔、澆不足、砂眼等鑄造缺陷。

氣缸體 芯頭結(jié)構(gòu) 澆注系統(tǒng) 冒口系統(tǒng) 有效澆注時間

氣孔是氣缸體鑄件最易出現(xiàn)的缺陷之一［1,2］，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣缸體薄壁鑄鐵件來說，其氣孔缺陷產(chǎn)生的原因錯綜復(fù)雜［3］，是極難控制的鑄造難題。故而解決和克服氣缸體鑄件氣孔缺陷是相關(guān)鑄造工作者長期研究的高技術(shù)含量之課題，亦是鑄造工作者恒久研究的前沿課題之一。許多工廠對氣缸體鑄件產(chǎn)生氣孔的原因皆有過各種具體分析，筆者根據(jù)近兩年來在WD615氣缸體鑄造生產(chǎn)實(shí)踐中所獲得的有效降低鑄件氣孔缺陷的工藝方法和措施及其相關(guān)的一些認(rèn)識與體會進(jìn)行總結(jié)，從主要的工藝措施和克服氣孔缺陷的機(jī)理方面作一專題研究分析，供同行參考。

1 WD615氣缸體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及氣孔缺陷特點(diǎn)

WD615氣缸體是一種較為典型的適用于重型車的干室缸套氣缸體，其鑄件輪廓尺寸為978 mm×377 mm×367 mm，鑄件質(zhì)量為260 kg，材質(zhì)為HT250，鑄件基本壁厚為7 mm，鑄件結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

該氣缸體在國內(nèi)、外有較多鑄造廠家在生產(chǎn)。目前，國內(nèi)一些工廠鑄造該類干室缸套氣缸體時出現(xiàn)了較多的鑄造缺陷。筆者根據(jù)考查和研究所知，該氣缸體在主機(jī)廠鑄造生產(chǎn)雖然有較為成熟的工藝方案［4］，但在一些配套廠或配件廠套用其鑄造工藝方案時，由于生產(chǎn)方式的不同，在鑄造過程中易產(chǎn)生較多的氣孔、砂眼等鑄造缺陷，氣孔缺陷主要分布于圖1所示的氣缸體油底殼法蘭上和φ68 mm的6個出砂孔周圍。后經(jīng)對某汽車配件廠（以下簡稱A廠）的鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，較好地解決了氣孔、砂眼等鑄造缺陷。

2 原傳統(tǒng)鑄造工藝方案易產(chǎn)生氣孔缺陷的因素

WD615氣缸體在A廠用圖1所示原鑄造工藝試生產(chǎn)了三個多月時間，共鑄造該氣缸體數(shù)百件，因大量產(chǎn)生氣孔、冷隔、澆不足、砂眼等鑄造缺陷，而未曾收到一件完全符合技術(shù)要求的合格鑄件。圖1所示為國內(nèi)該氣缸體在某主機(jī)廠的工頻爐熔煉鐵液生產(chǎn)方式下采用的鑄造工藝方案，即氣缸體鑄鐵件大量砂型鑄造生產(chǎn)的一種傳統(tǒng)的鑄造工藝方案；在A廠則是采用沖天爐熔煉鐵液的生產(chǎn)方式，因其鐵液熔煉生產(chǎn)方式的不同，造成了鑄件質(zhì)量（合格率）的本質(zhì)差異。具體分析原傳統(tǒng)鑄造工藝方案在沖天爐熔煉鐵液的生產(chǎn)方式下的鑄件，易產(chǎn)生氣孔等缺陷，另外還發(fā)現(xiàn)氣缸體在結(jié)構(gòu)上存在以下不利因素。

2.1 原方案主體砂芯結(jié)構(gòu)存在的不足

圖1所示的WD615氣缸體主體砂芯（1#～6#曲軸箱芯和前后端面砂芯7#、8#）結(jié)構(gòu) （主要是指芯頭結(jié)構(gòu)，下同）的特點(diǎn)是油底殼端高度方向上的小芯頭結(jié)構(gòu)。

曲軸箱芯油底殼端的小芯頭結(jié)構(gòu)是按照鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的輪廓“外延”而形成的芯頭結(jié)構(gòu)型式——通常稱之為小芯頭結(jié)構(gòu)，這也是目前國內(nèi)眾多氣缸體鑄造廠通常采用的芯頭結(jié)構(gòu)型式，亦是一些權(quán)威手冊或教科書所推薦的芯頭結(jié)構(gòu)型式。該小芯頭結(jié)構(gòu)型式，因其砂芯（芯頭）與型腔（芯頭座）的結(jié)合面未處于鑄件的最高輪廓（外輪廓）界面，從而未能有效發(fā)揮好這一“自然”界

面排氣的最佳狀態(tài)或作用；另一方面，也使氣缸體鑄件的油底殼面只能設(shè)置圖1所示的排氣、溢流效果均較差的飛邊冒口——立式飛邊冒口或平式飛邊冒口，從而使鑄件易產(chǎn)生氣孔類鑄造缺陷，并主要出現(xiàn)在其油底殼法蘭面上。

2.2 原方案澆注系統(tǒng)存在的不足

原傳統(tǒng)鑄造工藝澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：以底注式為主的階梯式進(jìn)液方式，采用一些傳統(tǒng)理論（如水力學(xué)公式）確定的澆注系統(tǒng)最小截面積偏?。?］，內(nèi)澆道總截面積遠(yuǎn)大于澆注系統(tǒng)的最小截面積 （通常在過濾截面處）。

該鑄件質(zhì)量為260 kg，氣缸體的直澆道最小截面積僅為15.90 cm2（最小截面處直徑為45 mm），整個澆注系統(tǒng)最小截面積（其過濾斷面處）僅為13.25 cm2左右，其21個內(nèi)澆道總截面積大致為26 cm2左右，遠(yuǎn)大于澆注系統(tǒng)的最小截面積13.25 cm2，由此使鐵液混亂進(jìn)入鑄件型腔，鐵液很難按照工藝設(shè)計(jì)者的意圖均衡進(jìn)液，通常是底部及其中部內(nèi)澆道進(jìn)液量較多，而鑄件兩端進(jìn)液量少，使鑄件型腔中鐵液在水平方向的溫度（場）很不均衡，鑄件的澆注時間過長，鑄件的兩端易產(chǎn)生氣孔、澆不足、冷隔類鑄造缺陷。

圖1所示鑄造工藝方案的進(jìn)液方式，其結(jié)構(gòu)名義上是階梯式，實(shí)則是底注式，因其7個軸座上的中部內(nèi)澆道，其中5個軸座都是通過底部橫澆道返上來的鐵液再進(jìn)入鑄件型腔的，只有第3、第5軸座上的中部內(nèi)澆道可實(shí)現(xiàn)中部進(jìn)液。這種以底注式為主的進(jìn)液方式對于氣缸體類復(fù)雜鑄鐵件來說，使其型腔內(nèi)溫度梯度呈上低下高的不良分布狀態(tài)，其鐵液中的氣體等很難順利排出，這也是很多相關(guān)鑄造廠鑄造該鑄鐵件時易產(chǎn)生較多氣孔缺陷的主要原因之一，而對于鐵液熔煉為沖天爐生產(chǎn)條件的狀態(tài)則尤其敏感和嚴(yán)重。

▲圖1 WD615氣缸體原傳統(tǒng)鑄造工藝方案簡圖

2.3 原方案冒口系統(tǒng)存在的不足

圖1所示冒口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：氣缸體鑄件的油底殼面是采用傳統(tǒng)的飛邊（立式）冒口，其型式不夠合理：因鐵液溢至“飛邊縫隙”，會使其縫隙逐漸減小，即“飛邊縫隙”冒口型式的排氣、溢渣及其補(bǔ)縮效果均較差，不利于鑄件克服氣孔、渣孔、砂眼類鑄造缺陷。氣缸體鑄件的頂蓋面是采用小壓邊冒口，冒口的總?cè)莘e量過小，其對型腔中的首流鐵液——“冷鐵液”的溢流量不夠，這樣更易產(chǎn)生氣孔、砂眼、夾渣類鑄造缺陷，尤其對于進(jìn)液方式以底注式為主的澆注系統(tǒng)，氣缸體鑄件的缺陷則更為明顯（敏感）和嚴(yán)重。

2.4 原方案澆注工藝存在的不足

圖1所示的傳統(tǒng)鑄造工藝方案，因其通常是以傳統(tǒng)澆注時間理念、澆注系統(tǒng)最小截面積的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論作為設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，其澆注工藝的特點(diǎn)是：澆注時間偏長，鐵液的澆注溫度偏高。對于氣缸體薄壁鑄鐵件（潮模黏土砂）砂型鑄造過程來說，偏長的澆注時間和偏高的澆注溫度都是不良的工藝因素。

在A廠用圖1所示的原傳統(tǒng)鑄造工藝方案，鑄造生產(chǎn)WD615氣缸體的澆注時間通常在37～43 s，澆注溫度為1 390～1 430℃，過長的澆注時間和過高的澆注溫度都是使鑄件易產(chǎn)生氣孔缺陷的主要原因之一［3］。

3 新鑄造工藝方案的特點(diǎn)

針對A廠用圖1所示原傳統(tǒng)鑄造工藝方案鑄造生產(chǎn)WD615氣缸體存在的不足及其難以得到合格鑄件的情況，筆者對該氣缸體的鑄造工藝——主要針對砂芯結(jié)構(gòu)及其冒口系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，應(yīng)用加大芯頭技術(shù)［6］、鑄件優(yōu)先設(shè)置壓邊冒口［7］和提高砂箱面積利用率的新理念［8］,同時應(yīng)用鑄件有效澆注時間［9］和鑄件澆注系統(tǒng)最小截面積計(jì)算公式的新理論［10］，設(shè)計(jì)了圖2所示的WD615氣缸體新鑄造工藝方案。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，較好地解決了圖1所示原傳統(tǒng)鑄造工藝

方案鑄造生產(chǎn)所產(chǎn)生的氣孔類鑄造缺陷。圖2所示的新鑄造工藝方案的主要特點(diǎn)如下。

3.1 新工藝方案主體砂芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

新鑄造工藝方案主體砂芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在其油底殼端高度方向上的大芯頭結(jié)構(gòu)上。

新鑄造工藝主體砂芯結(jié)構(gòu)方案：6個曲軸箱芯（1#～6#）和前后端面砂芯（7#、8#）的油底殼端高度方向上的大芯頭結(jié)構(gòu)，主要是將上箱的芯頭抬高至油底殼法蘭的外輪廓最高界面，其砂芯（芯頭）與型腔（芯頭座）的結(jié)合面處于鑄件的最高外輪廓界面，從而既有利于有效發(fā)揮這一自然界面排氣的最佳狀態(tài)和作用；也使得氣缸體鑄件的油底殼面能設(shè)置圖2所示的排氣、溢流工藝效果均最好的壓邊冒口，從而有利于鐵液中氣體、熔渣、散砂等的溢出，相應(yīng)地為鑄件克服氣孔、夾渣、砂眼等鑄造缺陷提供了重要的基礎(chǔ)條件。

3.2 新工藝方案澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)

新鑄造工藝澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：其一，7個軸座上的中注式進(jìn)液內(nèi)澆道結(jié)構(gòu)及橫澆道位置大幅度提高；其二，澆注系統(tǒng)最小截面積適當(dāng)放大（較原方案增大了70%）；其三，內(nèi)澆道總截面積等于澆注系統(tǒng)的最小截面積。

3.2.1 中注式進(jìn)液方式

新鑄造工藝方案澆注系統(tǒng)的7個軸座上的中注式進(jìn)液方式，大幅度提高了鑄件的進(jìn)液位置，其進(jìn)液位置平均處于鑄件的上部，進(jìn)入型腔的鐵液基本上實(shí)現(xiàn)了上高下低溫度梯度的良性分布狀態(tài)，極有利于鐵液中氣體、熔渣、散砂等的溢出，相應(yīng)地為鑄件克服氣孔、夾渣、砂眼等鑄造缺陷提供了重要的基礎(chǔ)條件。

3.2.2 大孔進(jìn)液的澆注系統(tǒng)最小截面積

應(yīng)用鑄件有效澆注時間新理念［9］和鑄件澆注系統(tǒng)最小截面積計(jì)算公式新理論［10］,來指導(dǎo)新澆注系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)及其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，其主要表現(xiàn)在以下兩個公式的應(yīng)用。

鑄件有效澆注時間指的是金屬液開始進(jìn)入型腔至充滿鑄件最高輪廓為止的時間，而金屬液完成有效澆注時間后至充滿整個型腔的過程所用的時間則稱為吊補(bǔ)澆注時間。該氣缸體的有效澆注時間t按資料［9］介紹的計(jì)算公式如下：

式中：G件為鑄件質(zhì)量，G件=260 kg；δ為鑄件壁厚，δ=7 mm。

代入式（1），得該鑄件的有效澆注時間t=23 s。

在WD615氣缸體的鑄造工藝設(shè)計(jì)中，采用了大孔進(jìn)液技術(shù)，計(jì)算鑄件的澆注系統(tǒng)最小截面積∑F阻。

式中：g為重力加速度，g=980cm/s2；w為灰鑄鐵材質(zhì)指數(shù)，w=0.24；t為有效澆注時間，t=23 s；ρ為灰鑄鐵密度，ρ=0.007 1kg/cm3。

代入式（2），得該鑄件一箱一件（潮模黏土砂型）鑄造生產(chǎn)條件下的澆注系統(tǒng)最小截面積∑F阻值為22.86 cm2。

3.2.3 內(nèi)澆道總截面積等于澆注系統(tǒng)的最小截面積

新澆注系統(tǒng)方案內(nèi)澆道總截面積∑F內(nèi)等于澆注系統(tǒng)最小截面積∑F阻，且每個軸座上的進(jìn)液狀態(tài)是基本相同的，故其能使鐵液規(guī)范地均勻地進(jìn)入鑄件型腔，鐵液能按照工藝設(shè)計(jì)的意圖從每個軸座上的內(nèi)澆道均衡進(jìn)液，能很好地使鑄件型腔中鐵液在水平方向的溫度場分布均衡（呈良性狀態(tài)），從而有利于鑄件克服收縮類、氣孔類等鑄造缺陷。

3.3 新工藝方案冒口系統(tǒng)的特點(diǎn)

圖2所示新鑄造工藝方案，其冒口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：氣缸體鑄件的油底殼面采用的是兩個適當(dāng)大的壓邊冒口，氣缸體鑄件的頂蓋面亦采用的是6個適當(dāng)

大的壓邊冒口，冒口的總?cè)莘e量及其明冒口的最小排氣面積也適當(dāng)放大，即∑F排≥1.3～1.8∑F阻。

▲圖2 WD615氣缸體新鑄造工藝方案簡圖

冒口系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)型式為：氣缸體鑄件的油底殼面和頂蓋面均采用適宜大的壓邊冒口型式，其壓邊冒口及其壓邊縫隙因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即通常是壓在鑄件的最高處或鑄件局部輪廓的最高處，鐵液在充滿其鑄件的最高或鑄件局部輪廓的最高處過程中，壓邊縫隙始終處于最大縫隙狀態(tài)，這樣極有利于型腔鐵液中氣體、熔渣等夾雜物的溢出，有利于鑄件克服氣孔、渣孔、砂眼類鑄造缺陷；同時，壓邊冒口的壓邊縫隙因其直接壓在鑄件輪廓上，又具有良好的補(bǔ)縮能力，還有利于鑄件克服收縮類鑄造缺陷。

新鑄造工藝冒口系統(tǒng)方案中冒口的總?cè)莘e量適宜大，其對型腔中的“冷鐵液”、氣體、熔渣、散砂的溢流（出）順利；新鑄造工藝冒口系統(tǒng)的明冒口的最小排氣面積∑F排的實(shí)際面積已達(dá)到∑F阻的2倍以上，這對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣缸體類薄壁鑄鐵件潮模黏土砂型鑄造在實(shí)施“大孔進(jìn)液”快速澆注，避免型腔中的氣阻現(xiàn)象（亦稱打炮現(xiàn)象）極為有效，同時對克服鑄件的氣孔、砂眼、夾渣類鑄造缺陷又提供了一個極為重要的溢出條件。

3.4 新鑄造工藝方案的澆注工藝特點(diǎn)

新鑄造工藝方案采用了有效澆注時間等新理念、確定了大孔進(jìn)液澆注系統(tǒng)最小截面積。其澆注工藝的特點(diǎn)是：鑄件的有效澆注時間與吊補(bǔ)澆注時間明確，鐵液的澆注溫度較低。

在A廠采用圖2所示W(wǎng)D615氣缸體新鑄造工藝方案，鑄造生產(chǎn)該氣缸體的有效澆注時間在20～25 s、吊補(bǔ)澆注時間為15～20 s，其澆注溫度為1 370～1 400℃。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐表明，該澆注工藝對WD615氣缸體的潮模黏土砂機(jī)器（靜壓）鑄造型、臥澆生產(chǎn)方式是適宜的和成功的。

4 結(jié)束語

在A廠用圖2所示新鑄造工藝方案，鑄造生產(chǎn)WD615氣缸體近兩年時間，有效地克服了圖1所示原傳統(tǒng)鑄造工藝方案存在的相關(guān)問題和相應(yīng)的氣孔類等主要鑄造缺陷，使該氣缸體鑄件達(dá)到了批量生產(chǎn)的合格率要求。目前因主體砂芯采用的發(fā)氣量較大的樹脂砂砂芯或其砂芯排氣方式還不夠合理，尚有少量的氣孔缺陷存在，尚需進(jìn)一步對其相應(yīng)工藝進(jìn)行二次優(yōu)化或改進(jìn)。

對于WD615發(fā)動機(jī)干室缸套復(fù)雜結(jié)構(gòu)氣缸體的潮模黏土砂鑄造，其鐵液的熔煉方式為沖天爐的狀態(tài)下，且產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)高于主機(jī)廠的條件下，該類氣缸體的鑄件生產(chǎn)合格率仍處于同類產(chǎn)品生產(chǎn)廠較好水平，其新工藝、新技術(shù)的合理應(yīng)用起到了極為關(guān)鍵的作用。

［1］史恩來.柴油機(jī)機(jī)體氣孔缺陷的消除［J］.鑄造，1994（10）: 36-37.

［2］宋長運(yùn)，黃德東，薛祥軍，等.385氣缸體鑄件氣孔的產(chǎn)生與消除［J］.中國鑄造裝備與技術(shù),2006（3）：62-63.

［3］宋萬平.缸體缸蓋類鑄件氣孔缺陷的討論［J］.鑄造，1998（10）:28-30.

［4］張玉娟，臧加倫 張傳海.WD615氣缸體挺桿芯熱改冷工藝改進(jìn)［J］.中國鑄造裝備與技術(shù),2006（1）：28-30.

［5］魏兵.鑄件澆注系統(tǒng)阻流截面面積的確定［J］.鑄造技術(shù)，1981（1）：27-33.

［6］劉文川，李偉鵬.鑄件砂芯芯頭的優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］.鑄造技術(shù), 1999（3）：26-28.

［7］劉光清，劉文川.壓邊冒口在鑄件弧形結(jié)構(gòu)面上的應(yīng)用［J］.中國鑄造裝備與技術(shù),2009（5）：56-57.

［8］劉文川.提高鑄件砂箱面積利用率的工藝方法分析［J］.鑄造，1998（6）：34-36.

［9］劉文川，賴小平，祝舉章，等.適用范圍寬的鑄件有效澆注時間計(jì)算公式［J］.鑄造技術(shù)，2000（5）：3-7.

［10］劉文川，王興平，向敬成，等.適用范圍寬的鑄件澆注系統(tǒng)最小截面積計(jì)算公式［J］.鑄造，2000（10）：764-768.

（編輯 平 平）

北方股份電動輪礦用車參與世界級礦山開發(fā)

日前，由北方股份自主研發(fā)的NTE360AC電動輪礦用車（以下簡稱“NTE360”）成功下線，首批3臺電動輪礦用車即將按照合同約定時間發(fā)往非洲西南部國家納米比亞，為世界著名鈾礦湖山鈾礦開發(fā)服務(wù)。

“NTE360”是北方股份自主研發(fā)的第7款NTE系列自主品牌電動輪礦用車，是北方股份為充分滿足湖山鈾礦特殊工況需求而定制化研制的一款高端產(chǎn)品，能夠在4 500 m的高海拔地區(qū)保持額定輸出功率不變，在氣溫-50～50℃的極端環(huán)境里依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，具備高可靠性的特點(diǎn)。此外，該車應(yīng)用了符合綠色環(huán)保要求的世界一流雙能源動力架線技術(shù)，在330 t級電動輪礦用車領(lǐng)域?yàn)閲鴥?nèi)首創(chuàng)、世界第二例，有效降低了運(yùn)行成本，滿足了環(huán)保要求。

北方股份“NTE360”得以成功參與納米比亞湖山鈾礦開發(fā)，填補(bǔ)了我國高端重型礦車參與世界級礦業(yè)項(xiàng)目建設(shè)的空白，對于推動、引導(dǎo)國內(nèi)大型礦山應(yīng)用雙能源動力技術(shù)、建設(shè)綠色礦山具有積極的促進(jìn)和示范效應(yīng)。

（崔玉平）

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B

1000-4998（2015）10-0071-04

*四川省教育廳2014年度科研計(jì)劃立項(xiàng)—自然科學(xué)理工科重點(diǎn)項(xiàng)目（編號:14ZA0336）

2015年6月