藍擎曲軸箱裂紋的研究

韓志濂，蔣輝(濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261101)

藍擎曲軸箱裂紋的研究

韓志濂，蔣輝
(
濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261101)

藍擎曲軸箱屬于框架式結構，不合理的鑄造工藝會導致凝固后產生較大的殘余應力而形成裂紋，影響到藍擎柴油機生產加工及整體性能。對裂紋的成因進行了分析，通過模擬等手段，找到裂紋缺陷的解決辦法。認為均衡凝固是降低曲軸箱凝固殘余應力、減少裂紋的主要措施。

藍擎曲軸箱；裂紋；均衡凝固

0 前言

WP12藍擎柴油機是聯合國內外研發機構共同開發的大排量柴油機，其曲軸箱由于其結構、鑄造工藝等方面的原因，很容易產生裂紋，裂紋多數不易檢查發現，且一旦檢測出就必須報廢，是藍擎柴油機重大隱患之一。

對改進前缺陷情況進行了統計： 9個月出產毛坯33912件，裂紋缺陷1490件，裂紋廢品率高達4.39%，廢品損失巨大；且有些是在缸體加工完畢后才發現的，導致曲軸箱和缸體整套報廢，每月造成的直接經濟損失很大。

1 問題的提出

1.1 裂紋位置的確認

圖1 藍擎曲軸箱裂紋 （圖中劃線處）

表1 藍擎曲軸箱裂紋統計

表1是其中一個月藍擎曲軸箱裂紋情況統計，圖2是裂紋位置統計示意圖。

圖2 裂紋位置統計示意圖

裂紋1、2位置（柴油機的六缸）合計158件，占全部裂紋缺陷的50%以上。

1.2 裂紋的形態

表1列舉了裂紋的方向特征。裂紋部分發生在砂芯的分型面部位（圖3），部分在過度部位（圖4），大部分裂紋是由上下平面向中間延伸。

圖3 砂芯的分型面部位的裂紋

圖4 過度部位處的裂紋

裂紋部位已經氧化（圖5），甚至有的防銹漆都已滲進，說明是在加工前裂紋已形成，是鑄造原因。

圖5 裂紋部位已氧化

圖6 裂紋部位基體的金相

1.3 材質及金相的確認

藍擎曲軸箱為HT280，本體取試樣抗拉強度295 MPa；從裂紋處取下的試塊做化學成分分析（表2）和金相分析（圖6）。

表2 本體化學成分分析

本體的抗拉強度、材質及金相都符合要求。

藍擎曲軸箱裂紋有以下幾個特點：

(1)裂紋的位置相對固定，且多發生在熱節處；

(2)裂紋處已有氧化，說明裂紋應該產生在時效處理前；

(3)裂紋在毛坯檢驗時不易檢驗出，加工后較易發現，且有增大趨勢。

2 原因分析

2.1 藍擎曲軸箱鑄造工藝

潮模砂造型，造型生產線為HWS線或KW線；冷芯盒芯制芯，一型兩件；澆注溫度控制范圍1 380 ℃～1 400 ℃；型內保溫時間3～5 h，鑄件打箱溫度不高于400℃，鑄件粗清后，520 ℃～550 ℃時效處理4～5 h。

2.2 裂紋的初判

裂紋多發生在熱節處且斷面處存在氧化，在生產現場曾發現藍擎曲軸箱落砂后吊掛在懸鏈上產生的裂紋。結合出現的部位和特征，初步斷定藍擎曲軸箱裂紋主應屬于應力裂紋。

圖7 藍擎曲軸箱凝固溫度場分析

2.3 澆注凝固模擬分析

進行凝固模擬的溫度場分析（圖7）。藍擎曲軸箱結構復雜，熱節多，顯示充型和凝固過程中，鑄件不同部位溫差很大。這應是造成殘余應力的主要原因。

柴油機的七瓦口部位因未設計內澆道，六缸底部的腔壁在澆注過程中充當了內澆道的功能，導致上下溫度差過大，上（型）壁先凝固收縮、下（型）壁后凝固收縮。又因凝固受到芯子阻礙，下（型）壁內測產生拉應力而出現裂紋（位置2裂紋）；由于芯子的支點作用，上（型）壁已先于下（型）壁凝固，上（型）壁外側也應產生拉應力而造成應力裂紋（位置1裂紋）。

2.4 成因確認

分析后可以得到造成藍擎曲軸箱裂紋的主要原因：一是澆注系統設計不合理，不能實現均衡凝固，兩端凝固快，完全凝固后，曲軸箱內部產生較大的應力，造成薄弱處裂紋；二是熱節多，過渡處因應力產生裂紋。

3 問題的解決

3.1 澆注工藝的改進

在1、7瓦口增加內澆道，實現均衡凝固，減少殘余應力防止裂紋。

圖8 1、7瓦口增加內澆道

圖8 是改進后的凝固模擬，鑄件的溫度場分布有明顯改善。此工藝在實踐中得到了檢驗，效果非常顯著。

3.2 對產品結構的改進

部分位置結構設計不當，壁厚懸殊太大，易產生應力裂紋。為此，對藍擎曲軸箱產品結構改進：在不影響加工與裝配的基礎上，在容易產生裂紋的壁厚單薄處部位增加了補貼，部分位置加大了鑄造圓角，實際生產證明，措施正確有效。

3.3 增加溢流冒口，改善局部凝固

在上下箱都設計上溢流出氣冒口系統（圖9），改善了局部位置的凝固方式，更加趨近于均衡凝固，減少應力，降低應力裂紋廢品。溢流冒口還可以溢儲部分冷鐵液以及部分氣體和夾雜物，減小局部區域內鐵液過冷傾向，降低了嗆氣孔、對火缺陷的產生。

3.4 改善芯子的影響

芯子披縫清除不凈易在中心裂紋部位形成的小溝槽。小溝槽將會成為裂紋源。要求在浸涂或下芯前，一定要把此披縫清磨掉。對因操作不當損傷裂紋，易裂紋的部位要采用磨削方式。

圖9 增加溢流冒口

3.5 效果

改進后的9個月內出產毛坯20725件，裂紋缺陷258件，裂紋廢品率降至1.24%，下降幅度達71.6%。

4 結論

(1)在曲軸箱類框架式結構鑄件生產中采用更趨近于均衡凝固的鑄造工藝，是降低鑄件局部殘余應力、防止裂紋產生的最佳選擇。

(2)在零件設計過程中，一定要考慮其鑄造的特點，在不影響使用的基礎上減少鑄造熱節的產生，對降低鑄件的生產成本及提高零件的整體性能都非常有利。

(3)此工藝完全可以應用到所有機型曲軸箱的鑄造工藝的設計中。

[1] 中國機械工業學會鑄造專業學會編.鑄造工藝卷.北京：機械工業出版社，2007.

[2] 王正春， 令狐東劍，尚廷靜. 615曲軸箱的鑄造工藝設計[J]. 中國鑄造裝備與技術, 2006(6).

[3] 李傳瑜, 雷其會, 乜忠利. 曲軸箱的鑄造工藝設計[J]. 中國鑄造裝備與技術,2006(3).

Research of lanqing crankcase crack

HAN ZhiLian, JIANG Hui
(Weichai Heavy Machinery Co.,Ltd., Weifang 261108,Shandong,China)

Lanqing crankcase belongs to the frame type structure, not reasonable casting process can lead to a larger residual stress after solidif i cation, which lead to cracks in the casting. The crack inf l uences diesel engine production and overall performance. The causes of cracks were described in this paper. The solution of crack was found by simulation analysis. Proportional solidif i cation is the main measures to lower solidif i cation residual stress and reduce the crack for crankcase.

lanqing crankcase;crack; proportional solidif i cation

TG245；

A；

1 006-9658（2016）06-0030-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.009

2016-06-06

稿件編號:1606-1398

韓志濂(1968—），男，工程師，主要從事鑄造工藝的開發與研究工作.