大型高牌号灰铁机体铸造工艺设计

（潍柴重机股份有限公司滨海铸造厂，山东 潍坊 261108）

机体作为柴油机发动机的重要部件，对其质量要求非常严格，本公司开发的280 系列机体集成功能较多，内腔结构复杂，所以铸造工艺复杂，制造难度大。

1 机体结构简介

280 系列柴油机是大功率船用大缸径发动机，为8 缸体柴油机，机体毛坯尺寸4 060 mm×1 672 mm×1 250 mm，材质HT300，毛坯重量约12 t，是目前为止我公司开发的最大吨位的高牌号灰铸铁机体。机体主要壁厚为15 mm，最大壁厚170 mm，壁厚过渡大。机体前端面集成了齿轮室，凸轮轴对侧布置了气腔、中冷器、油道等，内部结构复杂，机体三维简图如图1 所示.

2 铸造工艺设计

2.1 主要工艺参数

受铸件结构限制，机体采用立浇工艺时中冷器砂芯、齿轮室芯等砂芯定位不稳，见图2，所以采用了卧浇工艺。铸件浇注位置的上平面加工余量15 mm，所有加工孔系的加工余量为8 mm，两侧面及浇注底面加工余量均为10 mm.根据我公司对其他铸件三维扫描对比、加工尺寸分析以及生产积累经验，该机体主要的铸造工艺参数选取如下：铸造收缩率长度方向1%，宽度和高度方向均为0.6%；涂料层为0.6 mm，主要砂芯间隙1.5 mm～2 mm.

图1 铸件三维简图

2.2 工艺设计

2.2.1 浇注系统

图2 砂芯定位示意

因开放式浇注系统最重要的特点是流经内浇道的铁液流速低，充型过程中铁液平稳上升，从而有利于排气顺畅和铁液的净化，因此多数情况下大型铸件生产采用开放式浇注系统[1]。本次工艺开发采用底注返雨淋式陶瓷管浇注系统，见图3，直浇道φ110，横浇道φ110×2，横浇道φ40×18，各系统截面比为：F直∶F横∶F内=1∶2∶2.38.浇注平稳，减少了铁液紊流，从而减少二次渣的形成，同时还减小冲砂的风险。

图3 浇注系统示意图

2.2.2 主油道工艺

采用预埋钢管形成主油道工艺容易产生褶皱、弯曲变形，与机体本体融合不良的现象[2]；采用砂芯形成的油道，细长砂芯容易变形，同时清理过程中油道内腔打磨费时费力。我公司另外几种机体油道采用砂芯铸出工艺，打磨一台机体主油道需要2 人2 天时间，无法满足批量生产要求。另外因该机体的凸轮轴腔和主油道分布在两侧，凸轮轴腔位于下型，主油道砂芯就需要把合在上箱。操作工需要钻到上砂型下方把紧螺栓，操作困难，存在安全隐患。所以该机体采用实心油道不铸出工艺，后续由加工而成，避免了上述两种工艺的风险。

2.2.3 冷铁工艺

高牌号灰铁件收缩倾向大，为防止在铸件的曲轴轴瓦、缸盖螺栓搭子、主螺栓搭子等关键部位以及其他厚大部位产生缩松类缺陷，在这些重要位置布置了冷铁，见图4，改善了厚大部位的铁液冷却效果；实心主油道处全部采用随形冷铁，同时油道上方布置了保温冒口，采用冒口的补缩效果和冷铁的激冷效果改变了油道处铁液的凝固顺序。

图4 冷铁布置图

2.2.4 排气系统

浇注时砂芯在高温铁水的作用下，由于水分蒸发及有机物挥发、分解和燃烧，在浇注后很短时间内会产生大量气体[3]。如果排气通道不畅通，气体来不及全部逸出，一部分气体就有可能侵入金属液中，形成气孔类铸造缺陷，严重时导致铸件报废。所以解决砂芯排气问题也是铸造工艺设计的重点。

气腔芯、中冷器芯和长条砂芯等制芯时预埋带有排气孔的圆钢芯骨，起到增强砂芯强度和排气的作用排气。凸轮轴芯钻孔与大缸芯中的排气通道相连，所有砂芯的气体从芯骨两端头以及上芯头的排气通道引至型外，避免气体滞留在型腔内。砂芯排气通道如图5 所示。

2.2.5 砂芯稳定性

缸孔侧边的串水孔芯属于长径比很大的细长类结构，存在该砂芯定位不便、易变形等风险。设计组芯胎具将细长的串水孔砂芯和大缸小端芯预组（见图6），整体下芯。该装置既保证了组芯的精度，又可防止复杂细长砂芯的变形问题，有效提高此类铸件的产品质量保证系数。

3 生产验证

图5 砂芯排气路径示意图

图6 组芯胎具

按照原始工艺进行了生产验证，对附铸试棒进行了理化检测，机械性能和金相组织检验全部满足技术要求，铸件毛坯合格，如图7 所示。加工后超声波检测，磁粉探伤检测均满足质量要求，装配尺寸满足装机要求。

图7 铸件毛坯图

4 结论

对于大型铸件，采用大开放式浇注系统，同时截面比合适，不使用过滤网也能避免夹渣缺陷。该机体成功的铸造工艺设计为后续类似铸件的工艺开发提供了一定的理论依据。