大断面高牌号球铁曲轴快速制造工艺探讨

姬爱青，邢 伟，马素娟，秦学义，蒋 辉，宋学恩，刘继波，陈秀明

（1.潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 261108；2.潍柴动力股份有限公司山东潍坊 261108）

关键字：快速制造；铸造仿真；球铁曲轴

1 铸件工艺开发流程

主要的工艺环节有工艺方案选择，铸造工艺设计，铸造C AE仿真模拟、快速模具制作，组芯浇注，铸件性能检测等几方面。

1.1 工艺方案的选择

1）采用金属模样的砂型铸造传统工艺方案

对于此类大型球铁曲轴铸件，目前主要应用的铸造工艺是砂型铸造。通常选用金属工装制作模样。

优点：工装制作精度高，使用周期长，适用于大批量生产。

缺点：金属模样费用高达30万/套，对小批量样件生产而言，分摊到每件产品上的模样费用明显过高，一般不易接受。

2）采用无模制造技术制作砂型

无模制造技术是如今先进制造技术的重要组成部分之一，最大的特点在于其制造过程中不需要使用其他工具，由零件的C AD模型直接输入系统，驱动设备即可完成产品模型的成型制造[1]。再将其与传统铸造工艺进行结合，即可完成铸件的快速制造。

优点：制作周期短，可使用减材技术，三维工艺设计完毕后，3D打印砂块，组装把紧后，浇入铁水，经过一系列处理即可获得优良铸件。

而后，Wu等[13-14]给出PD-HFLTS的期望值方差其中，函数Δ-1是二元语义中的相关函数，可以将语言术语转换为能够进行运算的数值，具体请参见文献[20]，并给出PD-HFLTS的大小比较规则。

缺点：铸件尺寸较大，砂型制作需要分段制作，增加了浇注过程中的跑火风险。砂型、砂芯均为一次性使用，生产成本较高。

3）选用优质木材，利用数控加工技术制作木质模样

优点：制作周期短，生产成本低，又解决了普通木质模样生产过程中，铸件尺寸精度低，加工余量大的问题，缩短了产品开发周期。

样件试验是新产品开发中的一个重要过程，后期产品结构可能会进行较大改进。如果使用3D打印砂芯，砂型需要分为6段，每段成本在4 000元左右，砂型无法重复利用，且整个砂型加工时间较长。考虑到模样制作周期及制作成本，采用数控加工技术，快速制作木质模样的制作工艺流程，再与传统铸造工艺相结合，快速高效地制作出优质铸件。

2 工艺设计

内浇道设计在曲轴的曲柄处，为保证铁液充型平稳，防止气孔缺陷的产生，采用封闭式浇注系统。浇注系统截面积为 4 200：3 600：13 000=1.17：1：3.61，为确保铸件关键部位不出现缩松缺陷，在铸件的主轴颈、拐轴颈处、曲柄等厚大位置设置随形冷铁，如图2所示。以主轴中心线、拐轴中心线为分型面，拐轴成型部分设计使用冷铁芯。在浇注端轴头处设计大冒口，冒口尺寸为¢280 mm×300 mm，以便进行补缩。采用平浇立冷工艺，确保获得致密组织。铸造工艺如图3所示。

图2 浇冒系统及冷铁布置图

图3 铸造工艺设计简图

2.1 模样制作

1）根据铸造工艺设计，建立铸件的上、下模板三维模型，如图4所示。以主轴中心线、拐轴中心线为曲轴铸件分型面，沿模型分型分为上模和下模。有些分入上下模的曲柄和连杆轴颈等结构造型过程中会影响起模，因此将这部分结构以小活块的形式从模样上分出来，为防止活块多次使用磨损严重，将活块与模样接合面使用钢板镶嵌，提高了模样制作精度。

图4 模板工装三维模型

2）利用数控加工技术，快速制作木质模样。

合理利用现有废弃砂箱及模底板，选用优质木材，按照三维模型进行加工制作模样，加工后的木质模板如图5所示。为保证模样表面质量及粗糙度，需要对加工过程中刀具进给量进行合理设计。

对加工完成后的木质模样进行检验，尺寸均符合要求。据统计，制作整个木质模样加工工时48 h，加上前期下料准备时间20 h，整个模样的制作时长仅68 h，大大节省了工装制作时间。

图5 加工后的木质模板

2.2 工艺优化

利用铸造C AE进行模拟分析，图6为凝固模拟过程，可以看出，在曲轴凝固过程中，冷铁将主轴颈与曲柄连接处、连杆轴径与曲柄连接处等热节部位转移，最后凝固的部位被移动至曲柄等非重要部位，在顶端大冒口补缩和球铁材料自身的石墨膨胀自补缩的共同作用下，球铁曲轴本身补缩良好，没有出现缩孔及缩松现象。

2.3 主要生产流程

按照工艺方案设计，使用碱性酚醛树脂砂进行造型，对砂型进行刷涂、组芯、研箱、合箱等操作。采用科德威喂线站进行喂线球化处理，采用J F/M g20型号的球化线，球化线长度为16 mm～23 mm，球化线速为20 m/m i n，孕育线长度约为5 m，孕育线速为18 m/m i n.浇注完成后进行清理、抛丸，热处理，获得优质铸件。

图6 铸造CAE凝固过程模拟

为了使铸件获得良好铁水补缩，顶部采用大冒口，平浇立冷工艺。即浇注完毕后，将浇口箱、溢流铁挑下后，用行车吊起砂箱浇注端，整个砂箱在重力作用下翻转成垂直状态，放入特制轨道，进行冷却，铸件在重力作用下进行凝固和补缩。

3 铸件性能检测

对曲轴进行三维扫描，分析，铸件尺寸合格。对主轴颈、拐轴颈、曲柄等部位进行解剖观察，均无缩松缺陷，内部质量良好。铸件理化检测及金相检测结果表明，球化率为95%，抗拉强度达到920 M P a，硬度为288 H B，满足Q T800-2的要求。经化验检查、超声波探伤、切削加工等，铸件成分及性能均满足要求。

4 结束语

1）相对于传统金属模样铸造工艺而言，采用快速成型制作木质模样，工艺调整速度快，制作周期短，从工艺设计到木质模样制作，最后到生产出合格铸件，仅用15天时间，大幅度减小了试制周期和生产成本。后期如果需要对结构进行优化，可以通过直接改进木制模型来实现。

2）选用合理的工艺参数，采用平浇立冷工艺，顶部设计大冒口工艺，进行充分补缩，可提高工艺成品率并获得良好致密的组织。

3）试制完成的球铁曲轴表面质量良好，无缩孔缩松缺陷，组织和力学性能达到Q T800-2要求。

综合比较，对于单件小批量生产曲轴铸件来说，采用木质模样快速成型技术是个不错的选择。