6L240机架铸造工艺设计

张成永,刘建平

6L240机架是我车间为某公司主柴油机型生产的关键产品件之一。该产品质量要求：（1）球化级别要求1～2级；（2）探伤标准：超声波和表面磁粉探伤（Ⅱ级）；（3）铸件表面需全身打磨；（4）不允许存在气孔、缩松、裂纹、夹砂、夹杂等铸造缺陷；（5）不允许焊补、涂腻子、油漆等任何形式的挽救措施。

产品特点：材质：QT500-7；轮廓尺寸：2752 mm×960 mm×1270mm；气缸、主轴承档平均壁厚尺寸为16 mm，最大壁厚105mm，最小壁厚11mm；零件毛重5000kg。属于典型的壁厚不均匀中、大型铸件。

图1 外形结构图

1 铸造工艺设计

铸造工艺设计主要元素有分型面的确定、收缩率和加工余量的确定等，其中以浇注系统位置和冒口尺寸的计算为重点。铸造工艺设计对于铸造生产意义重大，一个合理而先进的铸造工艺方案，对获得优质铸件、简化工艺过程、提高生产率、改善劳动条件以及降低生产成本等起着决定性的作用。

1.1 浇注位置及分型面的确定

分型面是指铸型组元间的结合面，合理的选择分型面，对于简化铸造工艺、提高生产率、降低成本、提高铸件质量等都有着直接的关系。分型面的选择应尽量与浇注位置一致，使两者协调起来，简化铸造工艺，并易于保证铸件质量。该铸件由于外观质量要求高，同时考虑到ø70mm和ø130mm大孔内腔质量的稳定性和均匀性，选择如图2所示的分型方式。

铸件平面尺寸相对较大，根据其精度要求和铸造经验，选择将铸件的全部都放在下箱中，保证铸件的加工定位面和主要的加工面尺寸精度。上箱采用盖板芯，避免铸件大平面产生冲砂、起皮、夹渣等铸造缺陷，整个铸件位于下箱内，下芯方便，砂芯安放牢固，易于检查下芯的尺寸，同时采用树脂砂造型、制芯。分型面和浇注位置如图2所示。

图2 分型面的选择

1.2 加工余量的确定

铸件质量要求高，尺寸大，且粗加工后要求消除应力退火，为保证有足够的加工余量，消除变形、校正等尺寸偏差的影响，结合理论经验要求，我们根据图纸的加工精度需求，确定零件加工余量在10～15mm，局部6mm。

1.3 收缩率的确定

收缩率又称铸造收缩率，是指铸件从线收缩开始温度冷却到室温时的相对线收缩量。线收缩量不仅与铸造金属的收缩率和线收缩起始温度有关，还与铸件结构、铸型种类、浇注系统结构、砂型和砂芯的退让性等因素有关，为获得尺寸精度较高的铸件，通过试生产后检测铸件的实际尺寸，修正模样后，确定收缩率为（7～10）‰。

1.4 起模斜度的确定

为了保证铸型的顺利起模，在原则上不应超出铸件壁厚公差要求，考虑树脂砂取模的难度，依据资料和经验取拔模斜度为1°30′。

1.5 浇注系统的设计

浇注系统是砂型中引导液态金属进入型腔的通道，合理的浇注系统设计，应根据铸件的结构、技术条件、合金种类、选择浇注系统类型，确定引入位置，计算截面尺寸等。

设计原则：使金属液平稳充型，不冲刷型壁和型芯，不卷入气架，阻挡夹杂物进入型腔。同时考虑充型过程中温度场特点和球铁材质的易氧化特性，选择充型相对平稳、铁水飞溅和氧化较小的底注式浇注系统。考虑到挡渣和排渣及控制型内金属液的温度梯度，采取半封闭式浇注系统，阻流截面在内浇道上，横浇道截面最大。故选择的浇注系统截面比为∑F直∶∑F横∶∑F内 =2∶2.2∶1。

1.5.1 浇注系统尺寸的确定

1.5.1.1 浇注时间的确定

浇注时间与铸件结构、材质、铸型条件、浇注温度等因数有关，每一个铸件，都有一个合理的浇注时间与其对应，浇注时间对铸件质量有重要影响，依据经验公式

式中 GL=7000,单位为kg。经计算得：t=108.7s。

1.5.1.2 阻流截面积的确定

浇注系统尺寸主要是计算和确定阻流断面尺寸，按照经验比例确定其它组元的断面积。通过流体力学进行简化合并。采用经验公式

式中A阻——阻流截面积（cm2）；

GL——流经A阻截面的金属液重量（kg），GL=7000；

μ——总流量损耗系数，μ=0.45；

t——浇注时间（s），t=108.7；

Hp——平均静压力头高度（cm）。

式中H0——作用于内浇道的液态金属的静压力头高度（cm）,H0=152.5；

C——铸件高度（cm），C=127。

Hp=152.5-127/2=89（cm），

∑F内=A阻=48.95cm2，按∑F直∶∑F横∶∑F内=2∶2.2∶1 计算，∑F直=2×48.95=97.90（cm2），∑F 横=2.2×48.95=107.6（cm2）。

工艺设计选取直径为8.5cm的直浇道2道同时浇注，选取梯形内浇道14道，截面上底4cm、下底4.5cm、高0.9cm，选取横浇道两侧中分4道，截面上底4.5cm，下底5cm，高6cm。

核算浇注系统：∑F 内 =（1/2）×（4+4.5）×0.9×14cm2=53.55cm2，∑F 横 =（1/2）×（4.5+5）×6×4cm2=114cm2，∑F 直 =2×（1/4）×л×D2=2×（1/4）×3.14×8.52cm2=113.43cm2。 ∑F直、∑F横、∑F内与理论计算基本吻合。

1.6 浇注速度的设计校核

校核对于结构复杂及大型铸件，在浇注时间确定后，需要验算型内液面的上升速度，如差别较大需要矫正浇注时间或更改工艺。

平均液面上升速度为：

式中vL——型内液面上升速度（cm/s）；

Hc——铸件在浇注位置时的高度（cm），底注式Hc＝C=127；

vL=127/108.7=1.17（cm/s）

查铸造工（技师、高级技师）中vL数值所列参考值，如太小，需修正。实际计算结果跟参考值相差不大，不需进行浇注速度的调整。

1.7 冒口及冷铁的设置

球墨铸铁件具有糊状凝固特性，易产生分散性缩松，为了达到均衡凝固的目的，我们采取了控制型内温度梯度，在厚大热节处采用冷铁调整温度场，保证补缩通道畅通，得到致密的铸件组织[2]，如图3所示。同时加强砂型刚度（采用树脂砂造型），充分利用共晶石墨化膨胀压力以克服缩松。

图3 冒口和冷铁图

为了更安全、可靠起见，弥补生产中出现工艺条件偏差，在铸件顶部的两端设计了2个小冒口，称安全冒口，用于补充高温铁水液态收缩造成的架积亏空，消除因工艺偏差而可能导致的铸件轻微缩松和缺陷。冒口尺寸的确定根据铸件两端厚大厚实部分的模数来确定冒口直径。通过计算得铸件两端厚实部分的模数M铸=6cm，取安全冒口直径M径=R径/2=0.5M铸=0.5×6cm=3cm，R径=6cm。考虑到冷铁的急冷作用，同时相当于降低了铸件模数，因此取冒口模数为理论铸件模数的0.9倍足够补充液态架积亏空，采用圆柱型冒口，M冒=R冒/2=0.9M铸=0.9×6cm=4.5cm，D冒=9cm。为增加冒口液态补缩量，生产中取冒口径直径（D1）120mm，冒口径高度（H1）40mm，冒口直径（D）180mm，高度（H）380mm，如图3所示。

1.8 化学成分的选择

QT500-7牌号属于铁素架+珠光体为基体的球墨铸铁，要求C、Si含量相对较高，C、Si对铸件的性能有很大的影响，并对铸件的致密性起着重要的作用。

图4 6L240机架

碳、硅含量高能提高铸造性能，增加二次石墨化膨胀量，利于获得致密铸件，减少白口倾向，提高石墨的圆整度；但是碳量高易于产生石墨漂浮，特别是厚大件，石墨漂浮更加严重。经过多年的实践，我们选择碳在3.70%～3.85%；硅对铸件的低温冲击韧性影响极大，实际中选择Si控制在1.60%～2.50%。

2 生产效果

采用该工艺方案生产的6L240机架，铸件经划线检测，尺寸偏差符合图纸要求，达到了用户标准，得到了用户的认可。铸件经破坏性解剖验证无任何缩孔、缩松质量问题，并经超声波探伤和磁粉探伤检测内部质量良好，基本达到了零缺陷标准要求。

该机架已生产40台，装车使用20台，加工12台，未发现影响使用和超越图纸及技术要求的铸造缺陷。

3 结论

（1）大型厚大球墨铁铸件只要浇注系统设计合理，温度梯度控制适宜，完全能借助于球铁石墨化膨胀，实现无冒口铸造，获得紧实、致密的铸件。

（2）对于大型铸件，采用树脂砂生产宜采用分散、多道扁平内浇道引入，实现快速、平稳、均匀充型，减少因局部过热和对树脂砂的烘烤和冲涮，加剧夹杂物的产生和表面烧结缺陷。

（3）控制温度场，可采用的有效措施：合理引入铁水、局部放置冷铁和液面最高处设置液态补缩的小型冒口，达到局部顺序凝固，整架均衡凝固的条件。

（4）为类似牌号材质的成功研制提供了成熟经验，为大型厚断面球铁铸件的无冒口铸造奠定了技术储备，实践证明工艺上采用冷铁、冒口跟浇注系统联合补缩对大的断面、不均匀厚实的球铁铸件是可靠的，具有较广阔的推广和应用价值。

[1] 陆一士.铸造工（技师、高级技师）[M].北京:机械工业出版社,2006:15-20.

[2]机械工业技师考评培训教材编审委员会.铸造工-技师培训教材[M].北京:机械工业出版社,2001:123-137.