某型柴油机箱体铸造工艺设计研究

高 博，陈晓龙，郭 敏，赵悦光，张长春

(1.海军驻咸阳地区军事代表室,陕西兴平 713105；2.陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713105)

近年来随着柴油机向大功率、高强化、低噪音、低排放和高可靠性方向的发展，单个铸件各功能腔室趋于集成整合，有些关重零部件结构越来越复杂，对铸件质量提出了更高要求。因此，在铸造工艺设计中需要综合多种因素分析，同时在工艺设计中应用集成耦合仿真技术，更加准确分析预测铸件缺陷并指导铸造工艺设计，提高铸造工艺的保障性，缩短研制开发周期，提高铸件生产质量的稳定性。

1 箱体结构简介

该型柴油机箱体零件是长方体薄壁腔体结构，外轮廓尺寸约4000mm×500 mm×600 mm，内部包含水腔、气腔和空腔等独立腔室，各腔室之间及外壁的主要壁厚是12mm，上、下法兰的壁厚分别为50mm。该零件总体壁厚较均匀，但个别部位较厚大，形状结构较复杂，箱体零件重约1600kg，箱体简图见图1。

2 技术要求

图1 箱体简图

箱体材质：QT400-18AR；金相组织：基体组织为铁素体，其含量≥90%，球化级别1～2 级（球化率≥90%），石墨类型Ⅰ、Ⅱ不允许存在，石墨大小5～7 级；密封性要求：水腔和气腔进行1.0MPa 水压试验，持续30min 无渗漏、冒汗现象；超声波探伤：按EN 12680.3-2011 要求进行超声波探伤，重要区域满足2 级要求，其他区域满足2～3 级要求。

3 铸造工艺难点分析

3.1 内部质量要求高

该箱体按EN 12680.3-2011 要求进行超声波探伤，重要区域满足2 级要求。虽然该铸件整体壁厚看起来较均匀，但是整体壁厚薄，主要壁厚只有12mm，局部的孤立热节多，属于复杂薄壁腔体类铸件，容易出现缩孔、缩松缺陷。

3.2 铸件容易变形

该箱体铸件整体较长，总长达到3700mm，铸件凝固时由于温度场不均匀，容易产生变形。

4 铸造工艺设计

4.1 浇注位置及分型面

根据多年来的实际生产经验，以及便于砂芯定位准确可靠的原则，为保证坭芯定位准确、提高尺寸精度，便于配箱尺寸、壁厚的检查，采用三开箱造型工艺[1]。浇注位置及分型面简图见图2。

图2 浇注位置及分型面简图

4.2 坭芯设计

坭芯设计按照保证尺寸精度、减少坭芯数量、提高定位准确性、方便工人操作的原则。应用三维实体设计软件优化坭芯设计，避免装配时砂芯之间干涉，均设计有定位芯头，保证其定位可靠。坭芯示意图见图3。

图3 坭芯示意图

4.3 浇冒系统及冷铁设计

采用带过滤装置的底注式浇注系统，铁水从底部分散引入，金属液在充型过程中对铸型的冲击少，液面上升平稳，有利于保证后进气箱铸造质量，浇冒系统设计示意图见图4。

4.3.1 浇注系统设计

依据有关资料及近几年的生产实践，采用底流速、大流量、开放式浇注系统，铁水充型平稳，可减少夹砂、二次氧化渣、气孔等缺陷[2]。本次工艺设计其各单元截面积比例按∑F直:∑F横:∑F内=1:2:3。

图4 浇冒系统示意图

（1）直浇道：选用1 个ø80mm 直浇道。

（2）内浇道：采用16 个ø35mm 的内浇口。

4.3.2 冒口设计

在铸件顶部设置共17 个ø120mm×180mm（高）的圆柱形保温冒口，起到型腔排气和补缩的作用。

4.3.3 冷铁设计

为防止相对较厚的法兰、壁厚交叉部位产生缩孔、缩松缺陷，在这些部位设计有外冷铁，材料为铸铁，冷铁厚度按照热节厚度的0.5～0.8 倍设计，冷铁摆放示意图见图5。

图5 箱体冷铁摆放示意图

4.4 熔炼及浇注设计[3]

采用中频炉进行熔炼。为了确保铸件质量满足技术文件的要求，应对熔炼、浇注过程严格控制，制定熔炼工艺如下：

（1）采用高纯生铁、碳素废钢、回炉料化料；

（2）原铁水化学成分控制（%）：C：3.6～3.9；Si：1.45～1.55；Mn：0.15～0.20；P＜0.04；S≤0.020。

（3）采用三明治球化装包方法和多级孕育保证机身理化性能。

（4）除渣：炉内进行高温静置处理，温度升至1500～1530℃静置5～15min；S 含量超过工艺范围必须进行高温脱硫处理，避免出现二次氧化夹渣；进行炉内和包内扒渣处理，确保铁水纯净度。

（5）浇注温度控制：控制铁水进入型腔温度为1350～1370℃，采用枪式测温仪多次测量，保证铁水入型温度满足工艺要求。

4.5 仿真模拟

应用MAGMA 软件对箱体铸造工艺进行仿真模拟。

4.5.1 流场

采用底注开放式，浇注较平稳，具体结构、流场见图6，从铁水充型可看出浇注过程平稳，无紊流，同时铁水在型腔中的流速均小于1m/s，与工艺要求符合。

图6 流场模拟简图

4.5.2 温度场

由温度场模拟可以看出，浇注完毕时的温度场特点为：热节处温度较高，靠近内浇口附近温度较高，整个箱体温度场较均匀。温度场模拟照片见图7。

4.5.3 缩松预测

图8 为缩松模拟照片，图中蓝色部分致密度大于95%，通过缩松模拟结果可以看出，箱体凝固后整体致密度较高，具有良好的内部质量。

4.5.4 模拟结论

该箱体按此工艺模拟计算后，浇注过程平稳无紊流，工艺合理设置冷铁后，各热节凝固时间均衡、缩松倾向小，故合理设置浇冒系统及冷铁的铸造工艺可执行。

图7 温度场模拟简图

图8 缩松模拟照片

5 结论

在柴油机复杂箱体铸造工艺设计中运用均衡凝固有限补缩及球墨铸铁自补缩，结合浇注系统的合理设计、冒口冷铁的综合设计使用，能够有效提高大型机身铸件的工艺保障，同时采用铸造仿真模拟软件对铸造工艺进行仿真模拟验证，确保铸造工艺设计的合理性，为后续柴油机箱体铸造工艺设计提供了一定的理论依据。