中速柴油机灰铁机体铸造工艺探讨

蒋 辉，李永刚，李文锋，耿建华，刘继波

为满足船机市场更新换代的需求，我厂开发了WHM160系列柴油机，机体作为发动机的各机构、各系统的装配基础，是柴油机重要零部件之一，对其强度以及精度有很高的要求；同时对机体有较高的密封要求，不允许有任何缺陷。

机体轮廓尺寸为：1861mm×500mm×740mm；缸孔直径：189mm；缸距：225mm；主要壁厚：10mm；毛坯重量：1100t；材质：HT250。铸件结构见图1。

图1 机体WHM8160机体铸件结构图

1 铸造工艺方案

1.1 铸造工艺方案分析

1.1.1 铸件结构分析

该柴油机机体是中型灰铁机体，内腔结构主要由两部分组成，其中一部分采用湿式水套结构，水套与缸孔相连且与其下方的轴承挡、曲轴箱腔体相连，另一部分是外部水腔。结构设计较为简洁，其中难点是：外部水腔与每一缸水套结构通过截面尺寸为40mm×50mm的进水孔相连，与前端面通过ø60mm进水孔相通之外，并无其它连接，外部水腔芯的定位和固定非常困难，极易在浇注过程中造成漂芯铸造缺陷。

1.1.2 卧浇工艺分析

以缸孔中心为分型面，将铸型分为上下两部分（见图2），根据产品结构和工艺要求，需要8颗缸芯，2颗端芯，3颗外部水腔芯（分段），共3种13颗砂芯。

图2 卧浇工艺

卧浇工艺特点：

（1）对模板与砂箱的定位尺寸要求严格，铸件几何形状容易保障；

（2）砂芯数量少，组芯研箱工作量低，铸型尺寸精度高[1]；

（3）铁液静压力头小，浇注后期冲型速度慢，补缩能力差；

（4）浇注时排气较为不畅；

（5）外部水腔芯与缸芯之间定位困难。1.1.3 立浇工艺分析

（1）将缸孔朝上，机体高度方向中间位置为分型面，分为上下两箱，除了卧浇工艺中的砂芯，还需要左、右侧砂芯。

工艺特点：1）对模板与砂箱的定位尺寸要求相对宽松；

2）砂芯数量多，制芯与研箱的工作量大。

（2）将缸孔朝下，采用劈箱造型工艺，除上、下铸型以及卧浇工艺中缸芯和外部水腔芯外，还有前、后端以及左、右侧砂型。

工艺特点：1）砂型数量多，造型与合箱的工作量大；

2）因需要砂箱之间配合定位，对砂箱质量要求高，且模板结构复杂[2]。

其它共同特点：1）铁液静压力头大，有利于冲型和补缩；

2）外部水腔芯需要在下完缸芯后再固定到缸芯上，操作复杂；

3）浇注时铁液流向与机体的上下结构保持一致，有利于铁液的充型及排气。

1.1.4 工艺方案的确定

经过以上分析，立浇工艺较为复杂，最终选择卧浇工艺。外部水腔芯底部设计工艺孔，以便于布置芯头用于定位。

1.2 铸造工艺方案设计

1.2.1 造型

结合我厂生产经验，采用碱酚醛自硬砂造型，金属标准模板。

1.2.2 制芯

为保证铸件尺寸精度，提高生产效率，降低工人劳动强度，所需砂芯全部采用三乙胺冷芯盒制芯，采用浸涂或刷涂醇基涂料，表干炉在150～190℃烘干35min工艺。其中外部水腔芯使用锆英粉涂料，有较好的防粘砂效果。

1.2.3 下芯

在组芯胎具上预组整体芯，再用下芯吊具整体下芯（见图3）。其中缸芯与端芯芯头处共有3处螺栓孔，用于把紧整体芯（见图4）。

2 铸造工艺设计

2.1 铸造工艺参数的设定

图3 组芯图

图4 缸芯与端芯

铸造收缩率：根据我厂经验数据，外模长度方向1.1%，整体芯长度方向1.0%，其余均取1%。

铸件加工余量：缸孔及凸轮轴孔加工余量5.5mm，其余位置加工余量5mm。

工艺补正：按照以往经验数据，缸芯缸孔部分收缩正常，轴承挡部分长度方向收缩受阻，越远离中心体现越明显，所以第1和第9轴承挡厚度方向，向铸件中心补正2.0mm，其余轴承挡因牵扯缸芯通用，无法单独设置工艺补正。

2.2 浇注系统的设计

本次工艺采取阶梯式浇注系统、开放式浇注系统，底层内浇道设置在铸件底部，第二层内浇道设置在轴承挡处，铁水从横浇道引出，而非直接从直浇道引出，工艺简图见图5。

2.3 排气系统设计

排气系统分为两部分，一部分砂芯排气，在缸芯顶部钻孔，上砂型两侧设计出气片，缸芯观察窗处设计出气针，见图5-2。

另一部分是型腔排气，设计在砂型最高处，以及机体前后端面，见图5-1。

2.4 熔炼及浇注工艺

熔炼工艺：采用电炉熔炼，Cu-Cr合金强化工艺，原铁水化学成分控制范围见表1，采用硅钡孕育剂（加入量0.2%～0.6%）及冲入法进行炉前处理，终成分控制范围见表2。

表1 原铁水化学成分

表2 铁水最终化学成分

图5 -1 机体铸造工艺简图

图5 -2 机体铸造工艺简图

铁水精炼：电炉内熔化升温至1400℃和1500℃时，断电静置后除渣。炉前处理结束后，使用集渣剂扒渣三次。

浇注工艺：采用倾斜浇注工艺，浇口箱放在位置较高一侧（见图5-2），浇注温度范围控制在1340～1385℃，使用硅锆孕育剂进行随流孕育，孕育量0.08%～0.12%。

2.5 冷却时间的确定

为加速冷却，采用浇注5小时后开上箱，24小时后打箱的工艺。图6-7是用远红外测温仪检测到的数据，数据验证了该工艺是合适的。

3 工艺模拟优化

用MAGMA软件对该工艺进行模拟，主要模拟冲型和冷却过程，经模拟发现：（1）分直浇道在浇注过程中一直处于充不满状态，铁液在该处有较大的卷气现象；（2）最外侧两个第二层内浇道出现提前进铁液现象，易形成铁豆和冷隔缺陷（见图8）。

图6 机体上箱温度

图7 机体下箱温度

改进措施：（1）在分直浇道下方设计阻流截面积，保证在浇筑过程中分直浇道一致保持充满状态，以减少浇注过程中卷气及氧化夹杂物的产生；（2）增加最外侧两个第二层内浇道下方内浇口的截面积，减小该处铁液压力。

图8 第一次模拟

改进后对新工艺再次进行模拟，模拟结果显示已解决以上问题（见图9）。

4 工艺验证

对以上工艺进行小批量验证，结果如下：

4.1 铸造缺陷

图9 第二次模拟

图10 合格机体毛坯

验证过程铸件未出现砂眼、气孔缺陷，仍需在批量生产中验证。

4.2 尺寸问题

经解剖检验，铸件关键部位壁厚符合要求，水道芯固定到位无漂芯现象。

通过三维扫描仪收集铸件轮廓数据，并与标准三维模型对比，重点检查铸件螺孔搭子位置尺寸，收缩率等均在工艺要求范围内（见图11）。

图11 三维扫描机体外轮廓

5 结论

（1）对于中型柴油机灰铁机体，采用卧浇工艺可大大减小工艺复杂程度，采用倾斜浇注，合理布置排气系统，有利于铁液冲型和排气。 （2）采用数值模拟软件对铸件冲型和凝固过程进行模拟，发现铸造工艺的不合理之处，有效地提高了铸造工艺的成功率。

（3）采用三维扫描仪可有效收集铸件轮廓尺寸，可对铸件进行全尺寸测量，为收缩率的调整、工艺补正的设计等提供了强大的数据支持，为铸件轮廓尺寸检测提供了新方法。

[1] 王泮兴，于建忠，毕海香，等.大功率柴油机球铁机体铸造工艺探讨[J].中国铸造装备与技术,2015(02):22-26.

[2] 马素娟，姬爱青.CW200大马力机体铸造工艺设计[J].铸造设备与工艺,2017(03):13-15.