某型柴油機(jī)箱體鑄造工藝設(shè)計(jì)研究

高 博，陳曉龍，郭 敏，趙悅光，張長春

(1.海軍駐咸陽地區(qū)軍事代表室,陜西興平 713105；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713105)

近年來隨著柴油機(jī)向大功率、高強(qiáng)化、低噪音、低排放和高可靠性方向的發(fā)展，單個(gè)鑄件各功能腔室趨于集成整合，有些關(guān)重零部件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對鑄件質(zhì)量提出了更高要求。因此，在鑄造工藝設(shè)計(jì)中需要綜合多種因素分析，同時(shí)在工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用集成耦合仿真技術(shù)，更加準(zhǔn)確分析預(yù)測鑄件缺陷并指導(dǎo)鑄造工藝設(shè)計(jì)，提高鑄造工藝的保障性，縮短研制開發(fā)周期，提高鑄件生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1 箱體結(jié)構(gòu)簡介

該型柴油機(jī)箱體零件是長方體薄壁腔體結(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸約4000mm×500 mm×600 mm，內(nèi)部包含水腔、氣腔和空腔等獨(dú)立腔室，各腔室之間及外壁的主要壁厚是12mm，上、下法蘭的壁厚分別為50mm。該零件總體壁厚較均勻，但個(gè)別部位較厚大，形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，箱體零件重約1600kg，箱體簡圖見圖1。

2 技術(shù)要求

圖1 箱體簡圖

箱體材質(zhì)：QT400-18AR；金相組織：基體組織為鐵素體，其含量≥90%，球化級別1～2 級（球化率≥90%），石墨類型Ⅰ、Ⅱ不允許存在，石墨大小5～7 級；密封性要求：水腔和氣腔進(jìn)行1.0MPa 水壓試驗(yàn)，持續(xù)30min 無滲漏、冒汗現(xiàn)象；超聲波探傷：按EN 12680.3-2011 要求進(jìn)行超聲波探傷，重要區(qū)域滿足2 級要求，其他區(qū)域滿足2～3 級要求。

3 鑄造工藝難點(diǎn)分析

3.1 內(nèi)部質(zhì)量要求高

該箱體按EN 12680.3-2011 要求進(jìn)行超聲波探傷，重要區(qū)域滿足2 級要求。雖然該鑄件整體壁厚看起來較均勻，但是整體壁厚薄，主要壁厚只有12mm，局部的孤立熱節(jié)多，屬于復(fù)雜薄壁腔體類鑄件，容易出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。

3.2 鑄件容易變形

該箱體鑄件整體較長，總長達(dá)到3700mm，鑄件凝固時(shí)由于溫度場不均勻，容易產(chǎn)生變形。

4 鑄造工藝設(shè)計(jì)

4.1 澆注位置及分型面

根據(jù)多年來的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以及便于砂芯定位準(zhǔn)確可靠的原則，為保證坭芯定位準(zhǔn)確、提高尺寸精度，便于配箱尺寸、壁厚的檢查，采用三開箱造型工藝[1]。澆注位置及分型面簡圖見圖2。

圖2 澆注位置及分型面簡圖

4.2 坭芯設(shè)計(jì)

坭芯設(shè)計(jì)按照保證尺寸精度、減少坭芯數(shù)量、提高定位準(zhǔn)確性、方便工人操作的原則。應(yīng)用三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化坭芯設(shè)計(jì)，避免裝配時(shí)砂芯之間干涉，均設(shè)計(jì)有定位芯頭，保證其定位可靠。坭芯示意圖見圖3。

圖3 坭芯示意圖

4.3 澆冒系統(tǒng)及冷鐵設(shè)計(jì)

采用帶過濾裝置的底注式澆注系統(tǒng)，鐵水從底部分散引入，金屬液在充型過程中對鑄型的沖擊少，液面上升平穩(wěn)，有利于保證后進(jìn)氣箱鑄造質(zhì)量，澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖見圖4。

4.3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)有關(guān)資料及近幾年的生產(chǎn)實(shí)踐，采用底流速、大流量、開放式澆注系統(tǒng)，鐵水充型平穩(wěn)，可減少夾砂、二次氧化渣、氣孔等缺陷[2]。本次工藝設(shè)計(jì)其各單元截面積比例按∑F直:∑F橫:∑F內(nèi)=1:2:3。

圖4 澆冒系統(tǒng)示意圖

（1）直澆道：選用1 個(gè)?80mm 直澆道。

（2）內(nèi)澆道：采用16 個(gè)?35mm 的內(nèi)澆口。

4.3.2 冒口設(shè)計(jì)

在鑄件頂部設(shè)置共17 個(gè)?120mm×180mm（高）的圓柱形保溫冒口，起到型腔排氣和補(bǔ)縮的作用。

4.3.3 冷鐵設(shè)計(jì)

為防止相對較厚的法蘭、壁厚交叉部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，在這些部位設(shè)計(jì)有外冷鐵，材料為鑄鐵，冷鐵厚度按照熱節(jié)厚度的0.5～0.8 倍設(shè)計(jì)，冷鐵擺放示意圖見圖5。

圖5 箱體冷鐵擺放示意圖

4.4 熔煉及澆注設(shè)計(jì)[3]

采用中頻爐進(jìn)行熔煉。為了確保鑄件質(zhì)量滿足技術(shù)文件的要求，應(yīng)對熔煉、澆注過程嚴(yán)格控制，制定熔煉工藝如下：

（1）采用高純生鐵、碳素廢鋼、回爐料化料；

（2）原鐵水化學(xué)成分控制（%）：C：3.6～3.9；Si：1.45～1.55；Mn：0.15～0.20；P＜0.04；S≤0.020。

（3）采用三明治球化裝包方法和多級孕育保證機(jī)身理化性能。

（4）除渣：爐內(nèi)進(jìn)行高溫靜置處理，溫度升至1500～1530℃靜置5～15min；S 含量超過工藝范圍必須進(jìn)行高溫脫硫處理，避免出現(xiàn)二次氧化夾渣；進(jìn)行爐內(nèi)和包內(nèi)扒渣處理，確保鐵水純凈度。

（5）澆注溫度控制：控制鐵水進(jìn)入型腔溫度為1350～1370℃，采用槍式測溫儀多次測量，保證鐵水入型溫度滿足工藝要求。

4.5 仿真模擬

應(yīng)用MAGMA 軟件對箱體鑄造工藝進(jìn)行仿真模擬。

4.5.1 流場

采用底注開放式，澆注較平穩(wěn)，具體結(jié)構(gòu)、流場見圖6，從鐵水充型可看出澆注過程平穩(wěn)，無紊流，同時(shí)鐵水在型腔中的流速均小于1m/s，與工藝要求符合。

圖6 流場模擬簡圖

4.5.2 溫度場

由溫度場模擬可以看出，澆注完畢時(shí)的溫度場特點(diǎn)為：熱節(jié)處溫度較高，靠近內(nèi)澆口附近溫度較高，整個(gè)箱體溫度場較均勻。溫度場模擬照片見圖7。

4.5.3 縮松預(yù)測

圖8 為縮松模擬照片，圖中藍(lán)色部分致密度大于95%，通過縮松模擬結(jié)果可以看出，箱體凝固后整體致密度較高，具有良好的內(nèi)部質(zhì)量。

4.5.4 模擬結(jié)論

該箱體按此工藝模擬計(jì)算后，澆注過程平穩(wěn)無紊流，工藝合理設(shè)置冷鐵后，各熱節(jié)凝固時(shí)間均衡、縮松傾向小，故合理設(shè)置澆冒系統(tǒng)及冷鐵的鑄造工藝可執(zhí)行。

圖7 溫度場模擬簡圖

圖8 縮松模擬照片

5 結(jié)論

在柴油機(jī)復(fù)雜箱體鑄造工藝設(shè)計(jì)中運(yùn)用均衡凝固有限補(bǔ)縮及球墨鑄鐵自補(bǔ)縮，結(jié)合澆注系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、冒口冷鐵的綜合設(shè)計(jì)使用，能夠有效提高大型機(jī)身鑄件的工藝保障，同時(shí)采用鑄造仿真模擬軟件對鑄造工藝進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證，確保鑄造工藝設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)柴油機(jī)箱體鑄造工藝設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。