張聚濤,趙悅光,谷剛,田逢甲(1.中核第四研究設(shè)計工程有限公司,河北石家莊 052260;2.陜西柴油機(jī)重工有限公司,陜西興平 713105)
柴油機(jī)機(jī)體鑄造工藝設(shè)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(shè)計工程有限公司,河北石家莊 052260;2.陜西柴油機(jī)重工有限公司,陜西興平 713105)
研究了某型柴油機(jī)機(jī)體鑄造工藝設(shè)計,包括難點分析,工藝論證及各項工藝參數(shù)的選擇。通過對兩種鑄造工藝的分析,運(yùn)用球墨鑄鐵凝固特點和自補(bǔ)縮能力,合理設(shè)計澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計,為后續(xù)柴油機(jī)機(jī)體鑄造提供一定的依據(jù)。
澆注系統(tǒng);柴油機(jī)機(jī)體;冒口補(bǔ)縮;鑄造工藝
柴油機(jī)是船舶的重要組成部分之一,柴油機(jī)的性能直接影響著船舶的行駛,而作為柴油機(jī)主體部件的機(jī)體,它的性能更是保證柴油機(jī)正常工作的前提,對鑄件品質(zhì)要求很高。因此,在鑄造過程中必須設(shè)計更加合理的鑄造工藝,依據(jù)球墨鑄鐵凝固特點及自補(bǔ)縮能力,對鑄造工藝選擇、澆注系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析討論,保障鑄件成產(chǎn)一次成功,提高鑄件生產(chǎn)品質(zhì)。
該型柴油機(jī)機(jī)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(nèi)部四面均有筋條,缸孔外側(cè)為燃油凸輪軸腔和氣閥凸輪軸腔,機(jī)身凸輪軸兩側(cè)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(jī)身毛坯質(zhì)量13 t, 鑄件液重約為18 t。
鑄件材質(zhì):QT400-15,要求機(jī)械性能:抗拉強(qiáng)度≥390 MPa,屈服強(qiáng)度≥250 MPa,延伸率≥14%,布氏硬度=135~185 HBS。圖1為該型柴油機(jī)機(jī)體的三維示意圖。
圖1 柴油機(jī)機(jī)體三維示意圖
從機(jī)身的技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)特點來看,鑄造生產(chǎn)主要難點在于,該型機(jī)體輪廓尺寸大,結(jié)構(gòu)復(fù)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(wěn)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(dǎo)致機(jī)械性能不合格,因此,對鑄造工藝設(shè)計比較嚴(yán)格,尤其是澆注系統(tǒng)的設(shè)計,內(nèi)澆道的引入位置非常重要。
(1)尺寸方面:機(jī)身外型尺寸較大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸精度要求高,對工裝、模具保障系數(shù)要求高。
(2)內(nèi)部品質(zhì):機(jī)體要求在曲軸軸承及加強(qiáng)筋處、貫穿拉緊螺栓區(qū)域、凸輪軸軸承、齒輪安裝支撐區(qū)域、缸套上下支撐圈、機(jī)身底腳板等部位進(jìn)行超聲波檢測。機(jī)身底腳板、主軸承等局部厚大部位組織容易出現(xiàn)縮孔、縮松。
制造高精度模具是保證鑄件尺寸精度的基礎(chǔ):為保證鑄件尺寸精度的要求,用木、塑、金結(jié)構(gòu)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(chǎn)球墨鑄鐵機(jī)身鑄造工藝方面的成功經(jīng)驗,充分運(yùn)用球墨鑄鐵件既趨向同時凝固,又具有石墨化膨脹自補(bǔ)縮的特點,合理運(yùn)用冒口和冷鐵等工藝手段達(dá)到鑄件內(nèi)部組織致密的要求。
4.1 鑄造工藝方案的確定
分析機(jī)身的結(jié)構(gòu)特點和以往機(jī)身的生產(chǎn)經(jīng)驗,機(jī)身有以下兩種生產(chǎn)工藝方案,非別對兩種方案進(jìn)行分析討論如下。
4.1.1 采用立式澆注系統(tǒng)
柴油機(jī)機(jī)體的立式澆注系統(tǒng)主要是指柴油機(jī)機(jī)體缸孔面朝下、底腳板朝上,這種澆注系統(tǒng)主要是考慮到要保證重要面的材質(zhì)和性能,而缸孔正是柴油機(jī)的重要孔系,因此設(shè)計這種澆注系統(tǒng)。圖2為立式澆注系統(tǒng)工藝簡圖。
圖2 立式澆注系統(tǒng)工藝簡圖
優(yōu)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(cè)朝上(如圖3所示)
臥式澆注系統(tǒng)一般較立式澆鑄壓頭小,澆鑄系統(tǒng)位于機(jī)身一側(cè),內(nèi)澆口一般從缸孔爆發(fā)面?zhèn)然蚯S觀察窗口面引入,圖3為臥式澆鑄系統(tǒng)方案工藝簡圖,臥式澆注系統(tǒng)適用于中小型直列式柴油機(jī)機(jī)。
圖3 臥式澆鑄系統(tǒng)工藝簡圖
優(yōu)點:坭芯較少,積累誤差小,尺寸精度高等優(yōu)點。
缺點:在上平面容易產(chǎn)生氣孔夾渣等缺陷,底腳板、主軸承等厚大部位容易出現(xiàn)分散性縮松和集中性的縮孔缺陷;但通過采用冒口補(bǔ)縮,同時在局部放置冷鐵,可以避免分散的縮松缺陷的發(fā)生,保證鑄件品質(zhì)。
經(jīng)過兩種方案分析并結(jié)合該型機(jī)體結(jié)構(gòu)特點綜合考慮,決定采用第二種方案對該機(jī)身工藝進(jìn)行設(shè)計。
4.2 分型面的確定
為保證鑄件配箱的尺寸準(zhǔn)確,將鑄件絕大部分放在下型,將分型面放在排氣側(cè)平面上,分型面設(shè)置如圖3所示。
4.3 澆注系統(tǒng)的確定
為了充型平穩(wěn),利于鑄型排氣,采用底注式澆注系統(tǒng)??紤]到機(jī)身較高,內(nèi)澆口從機(jī)身排氣對側(cè)中間部位引入。在分型面設(shè)置過濾系統(tǒng),保證鐵液純度。圖4為澆注系統(tǒng)引入位置示意圖。
4.4 分芯和組芯
根據(jù)機(jī)身零件的結(jié)構(gòu)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(shù)的選擇
4.5.1 鑄造收縮率
根據(jù)其它機(jī)身鑄造生產(chǎn)的經(jīng)驗和機(jī)身鑄件的尺寸、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)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(jù)機(jī)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(jī)械加工余量
根據(jù)機(jī)身的澆注位置和加工精度的要求,機(jī)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(jī)身兩端面、上平面加工余量為12 mm。
4.6 澆冒系統(tǒng)設(shè)計
4.6.1 澆注系統(tǒng)組員設(shè)計
柴油機(jī)機(jī)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(zhì)量為18 000 kg。
液重G = 18 000 kg
1)內(nèi)澆口計算
查閱鑄造手冊,對于澆注質(zhì)量為18 000 kg的球墨鑄鐵的澆注時間約為90 s。
共9個內(nèi)澆口,單個內(nèi)澆口截面積F內(nèi)單=133/9≈ 14.77(cm2)。
單個內(nèi)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(cè)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(cè)橫澆道截面尺寸為157÷2=78.5(cm2) 。設(shè)計為圓形,截面尺寸為:φ100 mm(兩道)。
4.6.2 冒口設(shè)計
對于樹脂砂等高強(qiáng)度砂型生產(chǎn)球墨鑄鐵件,設(shè)置冒口是為了補(bǔ)給鑄件的液態(tài)體收縮,當(dāng)液態(tài)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(bǔ)償鑄件的二次收縮以消除鑄件縮松。根據(jù)鑄件凝固分析,需要在澆注位置的地腳板上表面設(shè)置冒口,在每檔缸孔面頂部設(shè)置冒口,一方面對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮,另外還可以起到集渣排氣效果,其他機(jī)型工藝方案,共考慮三排冒口,放置在主軸承檔對應(yīng)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(jìn)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(shù)Ms=9.5/2=4.75(cm),冒口體模數(shù)MT=0.8Ms=0.8×4.75=3.8(cm),冒口頸模數(shù)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(shù)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(bǔ)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(shù)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(xué)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(dāng)緊實;出爐溫度1 460 ℃~1 490 ℃,澆注溫度1 360℃~1 390 ℃。
依據(jù)以上鑄造工藝設(shè)計方案進(jìn)行投產(chǎn)驗證,圖5為該型機(jī)體關(guān)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(jī)體各部位劃線情況均比較理想,尺寸精度滿足技術(shù)要求。圖6為機(jī)體加工后狀態(tài),可以看出機(jī)體內(nèi)部組織致密,厚大部位沒有縮松、縮孔缺陷,滿足技術(shù)要求。
圖5 機(jī)體關(guān)鍵部位劃線驗證
圖6 機(jī)體加工驗證
1)通過采用臥式底注澆注系統(tǒng),不但能夠提高尺寸精度,同時能夠提高生產(chǎn)效率。
2)合理的澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計,運(yùn)用球墨鑄鐵凝固原理和自補(bǔ)縮能力,能夠有效提高柴油機(jī)機(jī)體內(nèi)部品質(zhì),在生產(chǎn)過程中未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷,大大提高了鑄件成品率。
3)該型機(jī)體的鑄造工藝設(shè)計為后續(xù)柴油機(jī)機(jī)體工藝設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。
[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊(第5卷):鑄造工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.
[2] 李殿中,張玉妥,李依依.澆注系統(tǒng)設(shè)計的新啟示[J].特種鑄造及有色合金, (2002)04 – 0020.
[3] 魏兵,袁森,等.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1998.
[4] 晁革新,趙悅光.大型船用中速柴油機(jī)機(jī)身均衡凝固工藝設(shè)計[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2015(2).
[5] 王潘興,于建忠,畢海香,等. 大功率柴油機(jī)球鐵機(jī)體鑄造工藝探討[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2015(2).
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(chǎn)品監(jiān)造及管理工作.