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
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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(jié)構(gòu)，不合理的鑄造工藝會導(dǎo)致凝固后產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力而形成裂紋，影響到藍擎柴油機生產(chǎn)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(yīng)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(lián)合國內(nèi)外研發(fā)機構(gòu)共同開發(fā)的大排量柴油機，其曲軸箱由于其結(jié)構(gòu)、鑄造工藝等方面的原因，很容易產(chǎn)生裂紋，裂紋多數(shù)不易檢查發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)計： 9個月出產(chǎn)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(fā)現(xiàn)的，導(dǎo)致曲軸箱和缸體整套報廢，每月造成的直接經(jīng)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(tǒng)計

表1是其中一個月藍擎曲軸箱裂紋情況統(tǒng)計，圖2是裂紋位置統(tǒng)計示意圖。

圖2 裂紋位置統(tǒng)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(tài)

表1列舉了裂紋的方向特征。裂紋部分發(fā)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(jīng)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(zhì)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(xué)成分分析（表2）和金相分析（圖6）。

表2 本體化學(xué)成分分析

本體的抗拉強度、材質(zhì)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(fā)生在熱節(jié)處；

(2)裂紋處已有氧化，說明裂紋應(yīng)該產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(nèi)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(fā)生在熱節(jié)處且斷面處存在氧化，在生產(chǎn)現(xiàn)場曾發(fā)現(xiàn)藍擎曲軸箱落砂后吊掛在懸鏈上產(chǎn)生的裂紋。結(jié)合出現(xiàn)的部位和特征，初步斷定藍擎曲軸箱裂紋主應(yīng)屬于應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱節(jié)多，顯示充型和凝固過程中，鑄件不同部位溫差很大。這應(yīng)是造成殘余應(yīng)力的主要原因。

柴油機的七瓦口部位因未設(shè)計內(nèi)澆道，六缸底部的腔壁在澆注過程中充當(dāng)了內(nèi)澆道的功能，導(dǎo)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(nèi)測產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)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(cè)也應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力而造成應(yīng)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(tǒng)設(shè)計不合理，不能實現(xiàn)均衡凝固，兩端凝固快，完全凝固后，曲軸箱內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，造成薄弱處裂紋；二是熱節(jié)多，過渡處因應(yīng)力產(chǎn)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(nèi)澆道，實現(xiàn)均衡凝固，減少殘余應(yīng)力防止裂紋。

圖8 1、7瓦口增加內(nèi)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進

部分位置結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，壁厚懸殊太大，易產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。為此，對藍擎曲軸箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進：在不影響加工與裝配的基礎(chǔ)上，在容易產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計上溢流出氣冒口系統(tǒng)（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(yīng)力，降低應(yīng)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(qū)域內(nèi)鐵液過冷傾向，降低了嗆氣孔、對火缺陷的產(chǎn)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(dāng)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(nèi)出產(chǎn)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(jié)論

(1)在曲軸箱類框架式結(jié)構(gòu)鑄件生產(chǎn)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(yīng)力、防止裂紋產(chǎn)生的最佳選擇。

(2)在零件設(shè)計過程中，一定要考慮其鑄造的特點，在不影響使用的基礎(chǔ)上減少鑄造熱節(jié)的產(chǎn)生，對降低鑄件的生產(chǎn)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(yīng)用到所有機型曲軸箱的鑄造工藝的設(shè)計中。

[1] 中國機械工業(yè)學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會編.鑄造工藝卷.北京：機械工業(yè)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(shè)計[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù), 2006(6).

[3] 李傳瑜, 雷其會, 乜忠利. 曲軸箱的鑄造工藝設(shè)計[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),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(fā)與研究工作.