劉為亮 宼 佐 陸加見(jiàn)

(1.東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000；2.南京中船綠洲機(jī)器有限公司，江蘇210039)

發(fā)動(dòng)機(jī)是燃機(jī)性能的決定性因素，機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)重要零件之一，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件設(shè)計(jì)、制造難度大，保證機(jī)匣的內(nèi)在質(zhì)量、尺寸準(zhǔn)確對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率具有重要意義。某航改燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，采用高強(qiáng)度低合金鋼材料，單件重7000 kg，技術(shù)及質(zhì)量要求較高：100%射線檢測(cè)、全域超聲檢測(cè)、內(nèi)外表面磁粉檢測(cè)，加之該機(jī)匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度(輪廓度)要求高，為制造該機(jī)匣提出了極大的挑戰(zhàn)。

1 鑄造方案設(shè)計(jì)

1.1 澆注位置選取

該機(jī)匣由于其內(nèi)環(huán)和外環(huán)的結(jié)構(gòu)特征，在分型、澆注方案選擇上，圖1方案外環(huán)得到了很好的補(bǔ)縮，但內(nèi)環(huán)上產(chǎn)生了兩個(gè)孤立的熱節(jié)，通過(guò)內(nèi)環(huán)的6根筋將之引導(dǎo)至上端的熱節(jié)，再通過(guò)設(shè)置補(bǔ)貼將熱節(jié)引導(dǎo)至中分面后用冒口補(bǔ)縮。方案中補(bǔ)貼雖需要后期氣割的方式去除，這對(duì)于狹小的內(nèi)環(huán)腔室來(lái)說(shuō)，增加了后期鑄件的清整難度，但是保證致密度、確保鑄件質(zhì)量顯然更加重要。

1.2 砂芯方案設(shè)計(jì)

合理的砂芯方案既能保證產(chǎn)品形狀準(zhǔn)確、尺寸精度高，也可以降低制造成本及操作難度。本機(jī)匣確定如圖2中的砂芯方案，其中1#芯設(shè)計(jì)為整體的方式來(lái)形成內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)，2#芯也采用整體的方式，但是組裝的過(guò)程中，由于機(jī)匣存在局部特征較薄，導(dǎo)致2#芯在下芯時(shí)與1#砂芯間隙較小，增加了下芯難度，這是本機(jī)匣下芯方案的難點(diǎn)之一。對(duì)于內(nèi)外環(huán)之間的6根筋，通過(guò)采用3#蓋板砂芯的方式來(lái)形成筋的特征。

圖1 澆注方案Figure 1 Casting scheme

圖2 砂芯裝配示意Figure 2 Core assembly

1.3 補(bǔ)縮方案設(shè)計(jì)

確定了鑄件的澆注位置后，分型面及冒口的位置也基本確定，外環(huán)通過(guò)M冒=1.2M件的公式選用了尺寸為280 mm×420 mm×365 mm暗保溫冒口，根據(jù)外環(huán)上的法蘭針對(duì)性的設(shè)置了12只冒口。對(duì)于內(nèi)環(huán)，增加了補(bǔ)貼，計(jì)算后選取了300 mm×450 mm×390 mm的暗保溫冒口。為了明確補(bǔ)縮區(qū)域，采用了冷鐵隔斷的方式，同時(shí)對(duì)熱節(jié)較大的位置，也針對(duì)性地布放了冷鐵。機(jī)匣補(bǔ)縮方案如圖3所示。

1.4 澆注系統(tǒng)計(jì)算

本機(jī)匣預(yù)計(jì)澆注重量將達(dá)到15 t，采用開(kāi)放式的底返澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口分散分布，能夠保證金屬液平穩(wěn)、均勻的充入型腔，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)充滿，得到形狀完整的鑄件。

結(jié)合車間實(shí)際，確定采用22 t包，熔煉鋼液16 t，根據(jù)澆包尺寸及鋼液在包內(nèi)時(shí)的液壓力，確定選取了直徑為80 cm的水口單眼澆注，澆注時(shí)間通過(guò)鋼液上升速度計(jì)算法：t=GL/NnV包，確定澆注時(shí)間約100 s。通過(guò)鋼包水口尺寸，依據(jù)鋼液推薦的開(kāi)放比例F包∶F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶2∶2∶2.5計(jì)算，確定直澆道的尺寸為1只直徑140 cm，橫澆道為2只直徑120 cm，內(nèi)澆道為10只直徑60 cm。通過(guò)以上的澆注系統(tǒng)采取鋼液上升速度的方式進(jìn)行核算，計(jì)算出液面上升速度VL=hc/t≈12 mm/s，達(dá)到該類結(jié)構(gòu)鑄件的上升速度的要求(10～15 mm/s)。證明該澆注系統(tǒng)合理，澆注系統(tǒng)造型時(shí)布放方式見(jiàn)圖4。

1.5 MAGMA驗(yàn)證及優(yōu)化

本機(jī)匣的工藝設(shè)計(jì)采用了MAGMA進(jìn)行模擬及優(yōu)化，對(duì)設(shè)計(jì)工藝中的補(bǔ)縮方案、充型方案進(jìn)行溫度場(chǎng)及流場(chǎng)模擬，預(yù)測(cè)出缺陷產(chǎn)生的位置及程度，分析后再對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)這樣的循環(huán)過(guò)程，直至得到優(yōu)質(zhì)的制造方案。圖5所示即為工藝最終版的模擬結(jié)果，經(jīng)模擬驗(yàn)證，方案合理。

圖3 機(jī)匣補(bǔ)縮方案Figure 3 Feeding system of gating

圖4 機(jī)匣澆注系統(tǒng)Figure 4 Pouring system of gating

圖5 工藝模擬結(jié)果Figure 5 Process simulation results

圖6 射線檢驗(yàn)時(shí)透照方案Figure 6 RT transmission scheme

2 質(zhì)量控制

2.1 100%射線檢測(cè)

100%射線檢測(cè)是本機(jī)匣相比其他鑄件的最大難點(diǎn)。透照前，依據(jù)圖紙要求、操作標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，制定了詳細(xì)的檢測(cè)操作規(guī)程，對(duì)透照方式、透照設(shè)備、靈敏度、曝光量、膠片類型等進(jìn)行了定義。并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、圖紙要求以及設(shè)備等情況，考慮拍片位置、拍片張數(shù)、透照工藝，制備了詳盡的布片圖，見(jiàn)圖6所示。

機(jī)匣復(fù)雜的形狀和多變的厚度造成本件必須采用多種射線源，本件采用Co60與Co60+加速器并用的方式，保證了該機(jī)匣從最小48 mm壁厚至最大280 mm壁厚的部位都能透照，引用加速器保證厚大部位透照的同時(shí)，也縮短了曝光時(shí)間，機(jī)匣內(nèi)外雙層較復(fù)雜，透照源與布片存在諸多不便，但出于從結(jié)構(gòu)、底片質(zhì)量角度考慮，仍然選取單壁單影透照，但部分結(jié)構(gòu)由于壁厚變化急劇，采取了雙片透照的方式。透照過(guò)程中最大限度地保證射線垂直于膠片，部分位置由于形狀和結(jié)構(gòu)原因無(wú)法做到時(shí)，采用傾斜入射方式。

2.2 全域超聲檢測(cè)

為保證該機(jī)匣在超聲檢測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行超聲檢測(cè)前，通過(guò)圖紙、現(xiàn)場(chǎng)檢查等全面了解鑄件情況，明確鑄件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征、澆注方式、冒口位置分布、工件擺放的形式、可接觸到的檢測(cè)面、工件各部位的厚度尺寸、表面情況及熱處理狀態(tài)等。并按照ASTM A609專門(mén)制作了與鑄件材質(zhì)相同的對(duì)比試塊，試塊原坯與機(jī)匣同爐鋼液冶煉、同爐熱處理，保證了對(duì)比試塊的衰減系數(shù)與機(jī)匣的衰減系數(shù)一致，能夠得到較準(zhǔn)確的靈敏度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，完全保證該機(jī)匣超聲檢測(cè)需求。本方案以直探頭為主、必要時(shí)斜探頭為輔的掃查方式，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)范圍單直選用D2S，雙直選用SEB4用于檢測(cè)外層50 mm以內(nèi)近表面區(qū)域，單斜探頭用以輔助檢測(cè)直探頭掃查不易發(fā)現(xiàn)、與表面成一定角度的缺陷。

2.3 表面質(zhì)量檢測(cè)

在對(duì)機(jī)匣的磁粉檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在部分點(diǎn)狀、線狀、面狀的磁粉缺陷顯示。多在上表面與金屬液流動(dòng)不流暢的部位，經(jīng)過(guò)打磨后缺陷消除。經(jīng)過(guò)分析，為金屬液在澆注過(guò)程中的氧化物，在被帶入型腔后由于流動(dòng)不暢，并未隨著液面的上升而進(jìn)入到冒口中，而是附著在型腔中某些位置，隨著溫度的降低，與內(nèi)生夾雜物交織在一起形成夾雜物顆粒，凝固后形成缺陷。對(duì)于這類缺陷，需要通過(guò)提高鋼液純凈度、優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)方式來(lái)解決，前者能夠盡量減少夾渣的數(shù)量，后者能夠使夾渣易于上浮至冒口中，提高鑄件質(zhì)量。

2.4 造型、澆注、熱處理控制

機(jī)匣模樣采用全木加鋼結(jié)構(gòu)制作，造型選用呋喃自硬樹(shù)脂砂，造型時(shí)對(duì)舂砂等工序進(jìn)行了重點(diǎn)控制。熔煉過(guò)程采用電弧爐+精煉爐的雙聯(lián)冶煉方式，并按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)控制各元素成分和鋼液溫度。熱處理爐按照ASTM A991進(jìn)行了爐溫均勻性試驗(yàn)，確保爐況良好。在機(jī)匣熱處理中，也采用了增加本體熱電偶的方式進(jìn)行測(cè)溫，裝爐示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 機(jī)匣熱處理裝爐示意圖Figure 7 Heat treatment charging of gating

2.5 補(bǔ)焊過(guò)程控制

在機(jī)匣施焊前，按照材料規(guī)范、ASTM A488等規(guī)范要求編制了焊接工藝卡，本機(jī)匣這種合金鋼材質(zhì)，淬硬性傾向大、冷焊易裂，補(bǔ)焊時(shí)進(jìn)行了保溫時(shí)間足夠的預(yù)熱處理。焊條按照要求進(jìn)行了合格的烘干和預(yù)熱，補(bǔ)焊過(guò)程中形成1個(gè)堆層后立即清除藥渣并錘擊補(bǔ)焊區(qū)域，考慮到補(bǔ)焊當(dāng)時(shí)是冬天溫度較低，每補(bǔ)1層后還采用了氧炔加熱后再迅速補(bǔ)焊。過(guò)程中采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量補(bǔ)焊區(qū)域溫度。以上一切盡量減小了焊接過(guò)程應(yīng)力，避免產(chǎn)生焊接裂紋。焊后在690～700℃保溫足夠的時(shí)間進(jìn)行去應(yīng)力退火。針對(duì)缺陷的類型及發(fā)現(xiàn)方式，焊后同時(shí)進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)、硬度檢查等，確保補(bǔ)焊區(qū)域組織的致密。

2.6 實(shí)物質(zhì)量

經(jīng)過(guò)近6個(gè)月的生產(chǎn)，該燃機(jī)機(jī)匣順利產(chǎn)出。爐前成分、成品成分在控制范圍內(nèi)，力學(xué)性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，無(wú)損檢測(cè)合格。

3 結(jié)論

本機(jī)匣采用分區(qū)補(bǔ)縮，通過(guò)采用針對(duì)性冷鐵及補(bǔ)貼的方式解決了分散熱節(jié)的補(bǔ)縮問(wèn)題，得到了致密度較高的鑄件；采用整圈坭芯及特殊配合與定位方式，解決了造型操作難題并很好保證了機(jī)匣的尺寸精度；對(duì)機(jī)匣制造過(guò)程的特種工藝進(jìn)行了重點(diǎn)研究與控制，特別對(duì)熱處理爐溫均勻性進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，對(duì)焊接工藝進(jìn)行了研究，保證了機(jī)匣的過(guò)程質(zhì)量，為機(jī)匣的高質(zhì)量打下基礎(chǔ)；研究了射線方案，采用了多種透照方案以及雙片布放等方式，完成了100%射線檢查要求；通過(guò)多種超聲檢測(cè)方式的良好配合并制備專用超聲波對(duì)比試塊，完成了復(fù)雜結(jié)構(gòu)100%超聲檢測(cè)，同時(shí)將射線檢測(cè)與超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析與研究，為后期超聲檢測(cè)代替射線檢測(cè)積累了經(jīng)驗(yàn)。