劉愛軍，張萬鈺

(中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116022)

圖1 產(chǎn)品示意圖

公司簽訂了300臺干線HXN3型貨運內(nèi)燃機車合同，牽引動力采用16V265H柴油機。作為關(guān)鍵鑄件的機體（見圖1），結(jié)構(gòu)為V型，外形尺寸為4500mm×1480 mm×1390 mm。此機體主滑油道采用鋼管鑲鑄設(shè)計方案，在凸輪軸腔下面，貫穿整個鑄件長度方向，預(yù)埋?114mm×10mm無縫鋼管。在此之前，公司同類產(chǎn)品的設(shè)計，均采用深孔鑄造方案，對于如此長度、大直徑的鋼管設(shè)計方案，首次接觸，工藝設(shè)計與生產(chǎn)難度很大。在前期試驗生產(chǎn)階段，由于內(nèi)徑彎曲和鋼管熔化，造成機體毛坯報廢，個別鑄件在加工后水壓漏水，造成更大的連帶加工損失。針對鑄件出現(xiàn)的問題，從鑄造工藝方法和預(yù)埋鋼管材料的預(yù)處理兩個方面分析質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因。如何確定油道鑲?cè)脘摴芄に噮?shù)，成為工藝設(shè)計的關(guān)鍵。

1 工藝分析

主滑油道孔貫穿于整個機體長度方向，采用20#無縫鋼管。通過工藝分析，認為在生產(chǎn)中可能產(chǎn)生如下問題：

（1）鐵水溫度低，金屬液與鋼管外表面熔合不好，鋼管脫殼造成加工后由管外壁向外漏水；澆注溫度高，若金屬液不停的在鋼管周圍流動，易將鋼管熔穿。澆注溫度、澆注系統(tǒng)設(shè)置是關(guān)鍵工藝參數(shù)。

（2）鋼管吊裝組芯后，除在鑄型前后端面芯頭支撐外，長度方向中間沒有支點支撐，鋼管因自重向下彎曲，而澆注時因浮力上浮向上彎曲，都會造成油道的平直度和鑄造壁厚公差。因此芯撐的選擇與固定很關(guān)鍵。

（3）鋼管外表面清潔程度低，澆鑄時金屬液接觸不穩(wěn)定產(chǎn)生氣孔，浸入母材或停滯在界面，使熔合不致密，結(jié)合面有縫隙。鋼管預(yù)處理方案要合理。

（4）澆鑄時，鋼管升溫，膨脹伸長，冷卻自然收縮。型腔內(nèi)要實現(xiàn)自由收縮，油管長度太長，鋼管內(nèi)壁如有粘砂很難清理[1]，因此必須有較好的防粘砂措施，操作方法合理。

2 缺陷的因素分析

2.1 鋼管表面氧化層的影響因素分析

預(yù)埋鋼管材質(zhì)選用20#無縫鋼管，經(jīng)正火處理消除應(yīng)力。購置的鋼管由于自然氧化，表面存在鐵銹，鐵銹成分為Fe2O3，并吸收大量水氣，導(dǎo)致澆注時發(fā)出大量氣體，在鋼管外表面產(chǎn)生氣孔及渣眼缺陷，與母體熔合不好。

2.2 鋼管剛度、材質(zhì)影響因素分析

（1）吊裝鋼管時，由于在接近4m的長度區(qū)間，若沒有支撐點，鋼管受自重及在澆注時鐵水浮力作用，使內(nèi)徑彎曲、透皮，難以保證油道的平直度和鑄造壁厚公差。所以在吊裝鋼管時，必須選用芯撐。原選用的芯撐為鋼柱加工成的“工”字芯撐，支撐效果很好，但澆鑄后熔合不好，是形成缺陷的主要因素。

（2）在澆鑄過程中，鋼管在高溫鐵液熔液的包圍下，鋼管就會自然膨脹。由于無法確定并控制鋼管受熱后的變形量，只能粗略估算。膨脹表現(xiàn)在徑向與軸向兩個方向。徑向尺寸較小可以忽略不計。長度方向上，鋼的線漲系數(shù)是0.01mm/m℃[2],那么3.6m長的鋼管在澆注溫度1300℃時伸長量為47mm左右（實際生產(chǎn)測量最大伸長量達到59.5mm）。如果鋼管的兩端固定，會使中心位置拱起，最大點偏離管心50mm。但實際情況往往以正負偏差的方式出現(xiàn)，即實際軸線圍繞原鋼管中心上下、左右偏移，中間最大，兩端遞減。冷卻時，金屬液已成糊狀，阻礙收縮，難以保證同軸度。

（3）鋼管質(zhì)量為20#鋼，機架材質(zhì)為QT550-6，兩種不同材質(zhì)在鑄件冷卻凝固過程中，收縮率、凝固溫度等各種因素都不相同，母材縮的大，鋼管凹陷，內(nèi)壁出現(xiàn)鼓包，造成很難成為一個整體，母材縮的小，接觸面出現(xiàn)縫隙。

2.3 澆注系統(tǒng)影響因素分析

16V265H機體鑄件形狀較為復(fù)雜，澆注溫度選擇為1300℃左右。鋼管的熔點在1530℃，高于澆注溫度，處于靜止狀態(tài)不會熔化。工藝方案如圖2所示，在機架中上輔板位置設(shè)置內(nèi)澆口，整個澆注系統(tǒng)類似于雨淋式系統(tǒng)。優(yōu)點在于充型速度快，澆道分散，熱量避免集中，躲開砂芯面，減小粘砂傾向。但此內(nèi)澆口是由兩塊芯子面接觸合成的，由于間隙的存在，造成澆注系統(tǒng)不密封，金屬液順劈縫直接流淌下來，沖刷處于正下方的鋼管。鋼管就是處于如此頻繁的熱交換情況下，鋼管壁逐漸變成糊狀，以致最后被熔穿[3]。先期報廢的試驗機體均是此原因。

圖2 原澆注系統(tǒng)

3 工藝措施的改進

基于以上因素分析，進行了鋼管預(yù)處理工藝試驗，并確定各工藝難點的解決方案。

3.1 鋼管預(yù)處理工藝試驗

我們在鋼管表面采用不同處理方法以及不同的芯撐進行澆鑄試驗，如表1所示。鑄后進行解剖結(jié)果如表2所示。

表1 工藝方案

表2 試驗結(jié)果

3.2 工藝方案確定

（1）根據(jù)試驗結(jié)果，第四組方案效果最佳。但從成本考慮，鋼管加工、電鍍對成本增加很大，而第三組也滿足要求，所以確定采用第三組工藝方案。鍍層保證澆注前不會產(chǎn)生銹斑，澆注時鍍層起到穩(wěn)定金屬液，增進熔合的作用，同時隔絕型腔水氣的附著。

（2）采取用填充材料填實鋼管的方式[4]，來增加鋼管重量平衡浮力，增加強度。根據(jù)試驗比對，在鋼管的中心填充粒度12目的型砂比較恰當。而且鋼管抗彎曲能力較改進前有所提高，凝固收縮時平衡鋼管內(nèi)外的壓力。12目的型砂粒度較大，接觸面積小，耐熱溫度高，避免在鋼管內(nèi)壁形成粘砂，影響光潔度。

（3）為保障鋼管自由收縮，將鋼管預(yù)埋件在原長度上加長500mm，齒輪箱端型芯中固定，自由端端面鋼管延伸到砂箱外部，周圍封箱。受熱與冷卻時可以自由收縮。同時在每一位缸套腔鋼管的周圍使用方形“板凳”芯撐固定在砂芯上（見圖3），與鋼管留少量間隙，不阻礙自由收縮。

圖3 鋼管固定示意

（4）采用陶瓷管作為內(nèi)澆口。陶瓷管剛度大，內(nèi)徑尺寸準確，而且可以實現(xiàn)任意角度無縫對接。陶瓷管內(nèi)壁光滑，金屬液流動沒有阻流問題，預(yù)埋到砂芯中，形成澆鑄通道（見圖4）。內(nèi)澆口均勻分布，整體溫度場比原澆注系統(tǒng)更加合理。內(nèi)澆口位置設(shè)置在缸臺面，實現(xiàn)底返澆鑄方式。

圖4 新澆注系統(tǒng)

4 生產(chǎn)驗證

通過各環(huán)節(jié)的認真控制，迄今連續(xù)生產(chǎn)400余臺機體，鋼管變形量、彎曲程度控制在允許的范圍之內(nèi)，鋼管內(nèi)壁清理后光滑無粘砂，在機加工工序中也沒有出現(xiàn)漏水質(zhì)量問題，達到了質(zhì)量目標要求，滿足了設(shè)計標準要求。本研究項目的完成，填補了鑄造機體預(yù)埋鋼管的技術(shù)空白，為公司有預(yù)埋件的同類產(chǎn)品做了牢固的技術(shù)儲備。

5 結(jié)論

（1）合理的澆注系統(tǒng)是保證預(yù)埋鋼管與母體熔合良好的前提；

（2）經(jīng)過預(yù)處理的預(yù)埋鋼管，能夠進一步提高熔合能力；

（3）加長預(yù)埋鋼管，伸出砂型之外，中間使用芯撐固定的方法，使鋼管的變形量得到有效控制。