柴油機機體鑄造工藝設計研究

張聚濤，趙悅光，谷剛，田逢甲（1.中核第四研究設計工程有限公司，河北石家莊 052260；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713105）

柴油機機體鑄造工藝設計研究

張聚濤[1]，趙悅光[2]，谷剛[2]，田逢甲[2]
（1.中核第四研究設計工程有限公司，河北石家莊 052260；2.陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713105）

研究了某型柴油機機體鑄造工藝設計，包括難點分析，工藝論證及各項工藝參數的選擇。通過對兩種鑄造工藝的分析，運用球墨鑄鐵凝固特點和自補縮能力，合理設計澆注系統和冒口設計，為后續柴油機機體鑄造提供一定的依據。

澆注系統；柴油機機體；冒口補縮；鑄造工藝

柴油機是船舶的重要組成部分之一，柴油機的性能直接影響著船舶的行駛，而作為柴油機主體部件的機體，它的性能更是保證柴油機正常工作的前提，對鑄件品質要求很高。因此，在鑄造過程中必須設計更加合理的鑄造工藝，依據球墨鑄鐵凝固特點及自補縮能力，對鑄造工藝選擇、澆注系統設計進行分析討論，保障鑄件成產一次成功，提高鑄件生產品質。

1 零件結構特征

該型柴油機機體毛坯外型尺寸為3 897× 1 392×1 650（mm）；缸孔中心距：445 mm，缸孔高度為502 mm，內部四面均有筋條，缸孔外側為燃油凸輪軸腔和氣閥凸輪軸腔，機身凸輪軸兩側寬度為1 142 mm，凸輪軸與缸孔之間最小壁厚20 mm；底腳板厚度為190 mm；機身毛坯質量13 t, 鑄件液重約為18 t。

鑄件材質：QT400-15，要求機械性能：抗拉強度≥390 MPa，屈服強度≥250 MPa，延伸率≥14%，布氏硬度＝135～185 HBS。圖1為該型柴油機機體的三維示意圖。

圖1 柴油機機體三維示意圖

2 鑄造工藝難點分析

從機身的技術要求、結構特點來看，鑄造生產主要難點在于，該型機體輪廓尺寸大，結構復雜，壁厚差異大，在曲軸、凸輪軸、缸孔面不允許存在鑄造缺陷。

澆注過程中即要保證鐵液平穩充型，又要避免充型時間過長，避免鐵液溫度過低引起的冷隔、冷豆等鑄造缺陷，以及球化孕育衰退導致機械性能不合格，因此，對鑄造工藝設計比較嚴格，尤其是澆注系統的設計，內澆道的引入位置非常重要。

(1)尺寸方面：機身外型尺寸較大，內部結構復雜，尺寸精度要求高，對工裝、模具保障系數要求高。

(2)內部品質：機體要求在曲軸軸承及加強筋處、貫穿拉緊螺栓區域、凸輪軸軸承、齒輪安裝支撐區域、缸套上下支撐圈、機身底腳板等部位進行超聲波檢測。機身底腳板、主軸承等局部厚大部位組織容易出現縮孔、縮松。

3 針對鑄造難點采取工藝措施

制造高精度模具是保證鑄件尺寸精度的基礎：為保證鑄件尺寸精度的要求，用木、塑、金結構制造高精度模具，同時，將凸輪軸、缸孔和主體坭芯連在一起，采用軌道式起模，提高工作效率；主體坭芯在外模上定位，提高配箱的尺寸精度。

借鑒公司生產球墨鑄鐵機身鑄造工藝方面的成功經驗，充分運用球墨鑄鐵件既趨向同時凝固，又具有石墨化膨脹自補縮的特點，合理運用冒口和冷鐵等工藝手段達到鑄件內部組織致密的要求。

4 鑄造工藝設計

4.1 鑄造工藝方案的確定

分析機身的結構特點和以往機身的生產經驗，機身有以下兩種生產工藝方案，非別對兩種方案進行分析討論如下。

4.1.1 采用立式澆注系統

柴油機機體的立式澆注系統主要是指柴油機機體缸孔面朝下、底腳板朝上，這種澆注系統主要是考慮到要保證重要面的材質和性能，而缸孔正是柴油機的重要孔系，因此設計這種澆注系統。圖2為立式澆注系統工藝簡圖。

圖2 立式澆注系統工藝簡圖

優點：此種方式重要部位在澆筑位置得下部，缸孔垂直，能夠保證主要部位的致密性，從而滿足鑄件的性能要求。

缺點：由于坭芯多,配箱時積累誤差大,操作煩瑣。

4.1.2 采用平坐平澆方案，排氣側朝上（如圖3所示）

臥式澆注系統一般較立式澆鑄壓頭小，澆鑄系統位于機身一側，內澆口一般從缸孔爆發面側或曲軸觀察窗口面引入，圖3為臥式澆鑄系統方案工藝簡圖，臥式澆注系統適用于中小型直列式柴油機機。

圖3 臥式澆鑄系統工藝簡圖

優點：坭芯較少，積累誤差小，尺寸精度高等優點。

缺點：在上平面容易產生氣孔夾渣等缺陷，底腳板、主軸承等厚大部位容易出現分散性縮松和集中性的縮孔缺陷；但通過采用冒口補縮，同時在局部放置冷鐵，可以避免分散的縮松缺陷的發生，保證鑄件品質。

經過兩種方案分析并結合該型機體結構特點綜合考慮，決定采用第二種方案對該機身工藝進行設計。

4.2 分型面的確定

為保證鑄件配箱的尺寸準確，將鑄件絕大部分放在下型，將分型面放在排氣側平面上，分型面設置如圖3所示。

4.3 澆注系統的確定

為了充型平穩，利于鑄型排氣，采用底注式澆注系統。考慮到機身較高，內澆口從機身排氣對側中間部位引入。在分型面設置過濾系統，保證鐵液純度。圖4為澆注系統引入位置示意圖。

4.4 分芯和組芯

根據機身零件的結構特點，將凸輪軸、缸孔和主體坭芯連在一起，在外模上定位，減少因分芯和人為因素帶來的誤差，保證鑄件的幾何形狀和尺寸精度，下芯按坭芯編號順序從自由端開始，逐步向另一端下芯，坭芯裝配完畢后，合蓋箱。

圖4 澆注位置引入示意圖

4.5 鑄造工藝參數的選擇

4.5.1 鑄造收縮率

根據其它機身鑄造生產的經驗和機身鑄件的尺寸、結構、材質等特點，確定長度、寬度、高度方向鑄造收縮率均為為0.9%。

4.5.2 拔模斜度

根據機身鑄件的尺寸特點，拔模斜度取1°～3°，按增加壁厚方向做出。

4.5.3 機械加工余量

根據機身的澆注位置和加工精度的要求，機身缸孔頂面、燃油凸輪軸孔、氣閥凸輪軸孔、缸孔、下平面加工余量為10 mm，機身兩端面、上平面加工余量為12 mm。

4.6 澆冒系統設計

4.6.1 澆注系統組員設計

柴油機機體鑄件外形尺寸為3 897×1 392× 1 650（mm），主要壁厚平均為30 mm，澆注鐵液質量為18 000 kg。

液重G = 18 000 kg

1）內澆口計算

查閱鑄造手冊，對于澆注質量為18 000 kg的球墨鑄鐵的澆注時間約為90 s。

共9個內澆口，單個內澆口截面積F內單＝133/9≈ 14.77（cm2）。

單個內澆道截面尺寸為φ43 mm，實際采用φ40 mm。

2）直澆道和橫澆道計算

比例推算，得到各澆道總截面積分別如下：單側直澆道截面尺寸為127÷2＝63.5（cm2）。直澆道截面積約為φ90 mm，實際采用φ90 mm。

單側橫澆道截面尺寸為157÷2＝78.5（cm2） 。設計為圓形，截面尺寸為：φ100 mm（兩道）。

4.6.2 冒口設計

對于樹脂砂等高強度砂型生產球墨鑄鐵件，設置冒口是為了補給鑄件的液態體收縮，當液態收縮終止或共晶膨脹開始時，需要冒口頸即時凝固，以利于鑄件全部共晶膨脹壓力補償鑄件的二次收縮以消除鑄件縮松。根據鑄件凝固分析，需要在澆注位置的地腳板上表面設置冒口，在每檔缸孔面頂部設置冒口，一方面對鑄件進行補縮，另外還可以起到集渣排氣效果，其他機型工藝方案，共考慮三排冒口，放置在主軸承檔對應的頂部。

冒口的計算。采用控制壓力冒口對地腳板部位冒口進行計算。地腳板位于澆注位置的上表面，可看成類似于σ＝95 mm＝9.5 cm的平板，其模數Ms＝9.5/2＝4.75（cm），冒口體模數MT＝0.8Ms＝0.8×4.75＝3.8（cm），冒口頸模數M＝0.6MT＝0.6×3.8＝2.28（cm），圓柱形冒口體MT＝d/4，d＝4MT＝4×3.8＝15.2（cm），取增加系數f2＝1.5，則冒口體直徑d＝1.5×15.2≈φ22.8（cm）＝φ228（mm），為確保該部位補縮到位，實際采取冒口直徑為φ230 mm，方形冒口頸M=b/4, b =4M =9.12 ，取縮小系數f3＝0.9，則圓形冒口頸為9.12×0.9＝8.2 cm，實際采用冒口頸尺寸為φ90 mm。

4.7 熔煉及澆注工藝

原鐵液化學成分控制（w%）：C 3.6～3.9，Si 1.45～1.65，Mn 0.15～0.25，P ≤0.06，S ≤0.03。球化劑加入量：1.2%，塊度：10～35 mm，裝入包底，孕育劑選用加入量：0.7%，粒度：2～6 mm，適當緊實；出爐溫度1 460 ℃～1 490 ℃，澆注溫度1 360℃～1 390 ℃。

5 生產驗證

依據以上鑄造工藝設計方案進行投產驗證，圖5為該型機體關鍵部位的劃線驗證情況，通過劃線驗證可以看出，采用該工藝方案機體各部位劃線情況均比較理想，尺寸精度滿足技術要求。圖6為機體加工后狀態，可以看出機體內部組織致密，厚大部位沒有縮松、縮孔缺陷，滿足技術要求。

圖5 機體關鍵部位劃線驗證

圖6 機體加工驗證

6 結論

1）通過采用臥式底注澆注系統，不但能夠提高尺寸精度，同時能夠提高生產效率。

2）合理的澆注系統和冒口設計，運用球墨鑄鐵凝固原理和自補縮能力，能夠有效提高柴油機機體內部品質，在生產過程中未發現鑄造缺陷，大大提高了鑄件成品率。

3）該型機體的鑄造工藝設計為后續柴油機機體工藝設計提供了一定的理論依據。

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Optimize on casting technique of diesel engine crankcase

ZHANG JuTao,ZHAO YueGuang, GU Gang,TIAN FengJia
(1.The Fourth Research and Design Engineering Corporation of CNNC, Shijiazhuang 052260,China; 2.Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd.,Xingping 713105, China)

In this paper, we study a certain type of diesel engine crankcase casting process design, including the analysis of the diff i culties and technology demonstration and the process parameters by analysis of two kinds of casting, applying the solidif i cation characteristics of nodular cast iron and the ability of self feeding, reasonable design of gating system and riser design, In order to provide a certain basis for the casting of the diesel engine block.

gating system;engine crankcase; riser feeding;casting process

TG244+.2；

A；

1006-9658（201 6）06-0033-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.01 0

2016-05-23

稿件編號:1605-1389

張聚濤(1981—），男，工程師，主要從事鑄造產品監造及管理工作.