大型高牌号灰铸铁发动机机体铸造工艺分析

鲁 栋，李永刚，卢彬彬，毕海香，杨恒远，于建忠，耿建华

（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 262208）

潍柴自主开发的高端大型船用柴油机，其机体材质为高牌号灰铸铁，由我厂承担铸造工艺的开发及生产。本文主要介绍了该大型高牌号灰铸铁机体的铸造工艺设计，分析了类似铸件铸造中常出现的尺寸精度低、缩松、气孔等铸造缺陷，给出了一些解决方案。并利用铸造模拟技术对该工艺进行了模拟，以期为后续大型铸件的工艺开发提供一定的参考。

1 机体结构及技术要求

该机体结构为直列六缸，毛坯重量约9 000 kg，铸件的外轮廓尺寸3299mm×1746 mm×1350mm，最大壁厚为95 mm，最小壁厚为15.5 mm，铸件结构如图1所示。

铸件材质为HT300，要求机体顶面及主轴承侧壁的附注试棒抗拉强度≥280 MPa，对称循环抗拉试验存活率50%，循环次数10×106，对称循环抗拉强度≥280 MPa，硬度（HBW）200～250.

图1 铸件结构示意图

2 铸造工艺设计

2.1 卧浇与立浇工艺的选择

2.1.1 卧浇工艺

将铸件以缸孔中心分为上下两箱，根据产品的结构特点，每箱铸件需6个大缸芯、2个大皮芯、1个气腔芯、1个中冷器芯、1个凸轮轴芯、1个齿轮室芯等。

卧浇工艺的优点为：（1）所需的砂芯数量较少，因此工装数量少；（2）下芯操作相对简单。缺点为：（1）砂芯制芯大多需采用人工制芯，相对繁琐且劳动强度较大；（2）型腔内的气只能通过芯头排出，易产生气孔缺陷[1，2]。

2.1.2 立浇工艺

将机体的缸孔面朝下进行铸件的浇注，因为铸件的高度较高，传统的上下两半铸型的工艺很难实现，需要通过上下两型加中间多层套箱的工艺来实现。

立浇工艺的优点为：（1）浇注时铁液的流动与机体的上下结构一致，有利于铁液的充型及排气；缺点为：（1）所需砂芯数量较多，制芯、组芯、研箱所需的工作量较大；（2）铸件尺寸研箱时需要更多的样板进行控制[1，2]。

综合以上分析，由于机体尺寸较大，结合现有的生产工艺，综合考虑各方因素，最终采用卧浇工艺进行设计。

2.2 浇注系统设计

大型机体的浇注系统对于铁水充型至关重要，该浇注系统采用底注反雨淋式浇注系统（如图2所示），即横浇道位于整个铸件的下部，铁水全部由铸件底部引进。该种方式避免了铁水直冲砂芯或铸型，铁水通道畅通，充型流动平稳，可避免铁水发生飞溅、氧化及由此形成铸件缺陷。该浇注系统全部由陶瓷管组成，其中直浇道为φ110 mm（1根），横浇道为φ90 mm（2根），内浇道为φ40 mm（14根）。浇注系统各部分比例为F直∶F横∶F内=9 498∶12 717∶17 584=1∶1.34∶1.85，该浇注系统为典型的开放式浇注系统，铁水通过内浇口进入型腔的流速较低，充型过程平稳，减少了铁水的飞溅氧化[3]。

图2 浇注系统示意图

2.3 造型与制芯

对于较大铸件的生产造型、制芯均采用碱性酚醛自硬砂，工艺已经较为成熟。因此采用碱性酚醛自硬砂工艺进行造型、制芯。制芯采用手工制芯，对于大缸芯、气腔芯等较大砂芯需使用芯骨。砂芯及砂芯均刷醇基锆英粉涂料，然后进行表干。由于砂型和砂芯体积较大，操作所需的时间较长，因此在局部结构复杂的位置较容易出现砂型不紧实、固化分层等问题，因此在操作过程一定要多人配合、注意局部位置的填砂，确保砂型紧实度。

2.4 熔炼及浇注工艺

熔炼采用电炉熔炼工艺，采用Cu-Cr-Mo-Sn合金强化工艺，并进行包内一次孕育和二次随流孕育，铁水浇注重量为19 t，浇注温度为1 340℃～1 360℃，同时采用倾斜浇注工艺。因铸件较大，浇注时间较长，因此要注意铁水的孕育处理和球化处理，防止球化衰退。

3 铸造缺陷的防止

对于大型高牌号灰铸铁铸件，常出现尺寸精度差、气孔、缩松等铸造缺陷[4]，在工艺设计时充分考虑了铸造缺陷的产生，采取了针对性的预防措施，提升铸造工艺保证系数。

3.1 尺寸精度

对于大型框架类机体铸件生产，特别是生产过程大多以手工操作为主，铸件难免会产生尺寸偏离、铸件变形等尺寸问题，本次工艺设计主要从以下几方面给予重点考虑。

3.1.1 收缩余量的选取

收缩余量的选取对于大型铸件的尺寸有较大的影响，借鉴其他类似机体生产经验，同时参考国内同行的生产经验，结合生产实际进行了修正，最终选取的收缩余量为：长度方向0.95%，宽度方向0.8%，高度方向0.5%.

3.1.2 工装设计

根据以往的生产经验，工装变形可能导致铸件尺寸出现偏差。为规避该因素，工装模板选取槽钢框架结构+顶部50 mm厚钢板结构，芯盒均选取铝制金属工装。模样做成分体模样防止出现缩尺问题便于调整，模样与模底板配合不嵌入，采用销定位，定位套做在活块上，再与模底板配合。

3.1.3 工艺间隙

在以往设计铸造工艺时，为了防止下芯研箱过程中出现挤掉砂、砂芯下不到位等问题，加大保证系数，工艺间隙往往都比较大，因工艺间隙问题和尺寸误差积累问题导致铸件尺寸精度不合理。鉴于此，本次工艺开发要求采用下芯吊具和下芯定位框保证下芯研箱精度；其次，在保证下芯研箱精度的前提下，工艺间隙由原来的1 mm～1.5 mm改进为0.5 mm.

3.2 气孔问题

设计阶段充分考虑了砂芯排气问题，对于砂芯采用金属软管排气工艺，如图3所示。金属软管在砂芯中形成了一条由内向外完整的排气通道，保证了砂芯中产生的气体能通过金属软管通道顺利排到型外，避免气体滞留在型腔内。本次设计所有砂芯都增加了金属软管形成排气通道，从而防止铸件气孔类缺陷的形成。

图3 金属软管的使用

3.3 缩松问题

针对缩松问题，在瓦口、主油道、主螺栓孔等厚大热节部位布置冷铁，改变厚大部位的凝固顺序。同时在主油道上方采用冒口径为φ60 mm的保温冒口进行补缩，上型其他厚大部位设置了溢流冒口、出气棒等。

4 铸造过程模拟

为了更好地检验工艺的可靠性，利用MAGMA铸造模拟软件对铁水充型过程温度场分布、卷气趋势、缩松趋势进行模拟。图4为卷气趋势模拟图，通过模拟可以看出，机体的内部无卷气和缩松现象，缩松出现在溢流冒口处，说明浇注系统、排气系统以及补缩工艺比较合理。

5 工艺验证

工艺设计完成后进行了生产验证，一次性产出了合格铸件，铸件的尺寸、表面质量良好，主轴承档和机体顶面的附铸试样抗拉强度分别为289 MPa、295 MPa，硬度（HB）为 229、226，满足图纸技术要求。同时加工过程未发现缩松、气孔等铸造缺陷，图5为生产的铸件毛坯图。

图4 模拟卷气示意图

图5 铸件毛坯图

6 结论

1）对于大型柴油机机体类铸件，采用卧浇、底注反雨淋铸造工艺、开放式浇注系统，能够使内浇口处铁水流速较小，能够实现铁液的平稳充型，能够提高铸件质量。

2）针对大型箱体类铸件尺寸精度低、气孔、缩松等常见铸造缺陷，在工艺设计时应充分考虑工装的设计、砂型砂芯的排气、冒口的使用等工艺，以提升铸造工艺保证能力。

3）可以采用铸造模拟对铸造工艺的可行性进行理论模拟，进一步优化铸造工艺。