燃气发动机机体铸造工艺设计

2023-12-09夏奇兵李小龙陈光金鲁晨光

中国铸造装备与技术 2023年6期

夏奇兵，姜绍，陈杨，李小龙，陈光金，刘杰，王宣，赵耀，鲁晨光

（1.宜宾普什联动科技有限公司，四川宜宾 644000；2.四川省动力零部件制造工程技术研究中心，四川宜宾 644000）

1 铸件结构分析

铸件共计9 缸，材质为EN-GJS-400-15[1]，轮廓尺寸3565 mm×1110 mm×1380 mm，浇注重量12000 kg。铸件主要壁厚40 mm，最大壁厚150 mm，最小壁厚16 mm，其壁厚温差较大。铸件重要部位：曲轴轴承区域、横拉螺栓区域、凸轮轴轴承部位、气缸套下部和上部支撑部位、机体安装脚板部位，需进行超声波探伤[2]。铸件三维示意如图1所示，铸件验收力学性能及金相要求如表1 所示。

表1 力学性能及金相要求

图1 铸件三维结构

2 工艺设计

2.1 工艺方案

2.1.1 工艺难点

（1）铸件壁厚尺寸极不均匀。最大壁厚150 mm，最小壁厚16 mm，整体模数1.6 cm，其中地脚板、瓦座及凸轮孔区域壁厚较厚，而铸件两侧曲柄箱窗口位置壁薄，不利于顺序凝固，补缩难度高[3]。

（2）铸件收缩比较大。长宽高三个方向尺寸差别较大，比例为3.2:1:1.2，铸件收缩不一致，对铸件不同收缩方向设置不同缩尺。

2.1.2 工艺方案

结合我司内部生产大型燃气发动机铸件的生产经验，采用地脚板朝上的组芯工艺进行生产，且在油底壳面上安置足够的保温冒口对油底壳面厚大位置进行补缩[4]。铸件壁厚突变的重要区域安置冷铁降低模数，实现顺序凝固，浇注系统采用开放式结构，浇口比为1:2.2:1.1:2.1[5]，将铁水流速控制在1.2 m/s 以下；长度方向缩尺设置为10‰，宽度、高度方向设置为9‰；对油管进行烘烤和防护，采用张拉应力工艺解决油管变形问题。

2.2 工艺设计

2.2.1 浇注系统设计

为保证浇注过程铁水平稳上升，选择底注多级式开放系统进行工艺设计，且阻流截面设置在直浇道。大型缸体经生产经验及《铸造工艺》手册选择，确定前置浇注时间为110 s，结合奥赞公式[6]计算：

式中：m 为流经阻流截面的金属总质量，近似为毛坯质量，单位kg；μ 为填充全部型腔时浇注系统阻流截面的流量系数；ρ 为金属液密度，单位g/cm3；τ 为充型时间，可近似为浇注时间，单位s；g 为重力加速度值，单位cm/s2；Hp为充填型腔时的平均计算压力头，单位cm；H0为阻流截面以上液态金属的静压头，单位cm；P 为阻流截面以上的型腔高度，单位cm。

已知m=12000 kg，ρ=7.1×10-6kg/mm3，由于是干型中等阻力树脂砂铸铁件，μ 初步取值为0.48，τ=110 s，g=10×103mm/s2，H0=199 cm，P=144 cm。

选值得：S阻=63.58 cm2（ø90 mm 陶管）

按照截面比1:2.2:1.1:2.1 设计底注式浇注系统，机体三维铸造工艺布如图2 所示。

图2 浇注系统示意图

2.2.2 冒口设计

油底壳位置壁薄不均，厚大处130 mm，稍薄处60 mm，易形成热节造成缩松缩孔，因此使用保温冒口进行补缩，结合板类公式，可知：

式中：Mc为铸件模数，Mr为冒口模数。

经三维测量Mc=2 cm，对于普通冒口，Kr=Kc。上式可写为Mr=fMc，其中f 为冒口安全系数，f≥1。

保温冒口体尺寸为ø150 mm×160 mm，其模数Mr=2.55 cm，单侧设置5 个保温冒口，如图3所示。

图3 冒口布置

2.3 MAGMA 数值仿真

2.3.1 充型模拟

缸体充型过程的速度如图4 所示。从图中可知，在充型25%时，铁液经座包、直浇道，从铸件两侧流入型腔；在75%时，液面上升速度在0.5 m/s，铁液充型平稳，不易造成冲砂及铸件夹砂现象。

图4 缸体充型过程速度图

2.3.2 凝固模拟

缸体凝固过程的温度分布如图5 所示。在凝固率为25%时，由于铸件轴承座、底脚板、轴承螺栓孔等关键位置均安置冷铁，且由于排气棒体积较小散热面积大，所以关键位置与排气棒位置凝固速度较快；在凝固率为50%时，关键位置及排气棒位置的铁水温度已降低至固相线以下，其余位置仍在固相线以上；在凝固率为75%时，横浇道与内浇口已经凝固，铸件两侧边由于壁厚较薄的原因也已开始凝固；在凝固率为100%时，铸件表面凝固状态较好，没出现孤立相区。由于采用底注的浇注方式、散热面积及铁液最后进入型腔的因素，底部温度明显高于顶部温度，最终历经38400 s，铸件完全凝固。