大型机体主油道成型工艺探讨

秦 鹏，毕海香，李洪亮，王 浩，吴毓海，胡 清

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

柴油机机体基本都带有主油道结构，主油道孔一般为长径比大的圆孔结构。主油道作为柴油机整个润滑系统的最重要的组成部分，对主油道孔的清洁度、密封性能要求都很高，主油道孔内不能有缩松、裂纹、夹渣、夹砂等铸造缺陷。

我公司开发的大功率船用柴油机机体体积大，重量大，其主油道都属于长径比大于30：1 的深孔结构。对铸造工艺技术带来很大挑战。经过多年生产验证，总结各种机体油道工艺，目前油道生产工艺主要采用三种工艺，砂型铸造工艺、机加工工艺、镶铸管工艺，这三种工艺各有特点。

1 砂芯铸造工艺

砂芯铸造工艺是利用覆膜砂或树脂砂砂芯成型直接铸造出细长的油道孔，如图1、图2 所示。

该工艺的优点是操作简单，铸造工装和芯骨可以重复使用。

但金属液浇注过程中，长径比过大的砂芯在热冲击和热辐射作用下，容易出现变形、烧结和表面开裂等问题，导致浇注后铸件油道堵塞，清砂困难，甚至报废。所以该方法缺点就是油道孔直线度差，后期清理工作量大。

机体油道直径大于70 mm 的机体适合采用该工艺。而且因此铸造油道的长径比一般都不能过大。

该方法需要在砂芯内部预埋芯骨，芯骨上有排气小孔。同时砂芯每隔500 mm 左右设置工艺孔以防止砂芯断裂变形，同时方便清砂[1]。

目前我厂大多数大型机体主油道采用该工艺。图1 所示的机体油道整体长6 m，砂芯太长的话，容易受自重向下弯曲，浇注时因浮力向上拱起，难以保证油道的平直度和壁厚公差。所以在工艺设计初期考虑到油道变形问题，将油道分成两段并与侧边芯用芯骨连接整体制芯。但加工后清理油道工作量很大，劳动强度大，效率低下，无法完成批量生产需求。图2 所示的机体油道把合在下箱，实际操作时需要将下箱吊起，从砂箱背面通过螺栓将油道砂芯固定在下铸型。

图1 主油道与侧边芯整体制芯

图2 主油道砂芯把合在下箱

2 油道不铸出工艺

油道不铸出工艺，即借助专用刀具用机械加工方式成型主油道结构。

该方法的优点是：主油道孔内腔表面质量好，精度高，无需打磨。该方式减少了铸造模具的投资。缺点是需要配备专用刀具，刀具投入大，同时，油道长度大的话不能一次加工完成，需要从两端加工而成，增加了加工成本。所以该方法适用于主油道孔直径较小，长度相对较短的机体。但工艺设计时需要重点关注油道大热节部位容易产生缩松缺陷的问题。

例如我厂某款新型机体油道采用该工艺（见图3），首批验证加工后发现主油道内有缩松缺陷（见图4），后续通过增加冷铁和保温冒口配合使用解决了油道缩松问题。

图3 主油道不铸出工艺

图4 主油道孔内缩松

3 镶铸管工艺

镶铸管工艺就是铸管当主油道使用，在研箱过程中将符合要求的无缝钢管装配在型腔中，浇注后铁水与钢管外表面熔合直接成型。

镶铸管工艺相对于砂芯工艺油道的直线度好，粘砂现象少利用清理。缺点是钢管预处理麻烦，钢管选择不合理或者操作不当容易出现钢管熔合不良或钢管熔化现象。

长径比大而且直径大的油道，而且采用砂芯工艺无法定位时可以采用镶铸管工艺。

铸件内部镶铸钢管，由于高温铁液注入型腔后，钢管不仅要承受长时间的铁液高温作用，也要承受液态金属极大的压力，因此，钢管内必须填充物质，防止钢管在高温高压下变形。我厂近两年在验证大型机体主油道镶铸管工艺，取得了一定效果。

我厂另外一种机体铸件主油道长2 550 mm，内径80 mm，外围壁厚18 mm.第一批验证钢管内填入干砂，钢管上下均使用专用随形芯撑。壁厚8mm 和6 mm 的无缝精轧钢管，清理后钢管与凸轮轴内腔出现严重冷隔如图5 所示，钢管内壁粘砂严重，无法清理如图6 所示，而且使用厚度6 mm 钢管比厚度8 mm钢管粘砂严重；解剖后钢管浇注位置的下方出现分层现象，芯撑周围也出现融合不好的情况如图7 所示。对验证过程及结论进行了分析，钢管内的填充物在高温铁水的热作用下产生的气体无法排出，造成铸管内气体压力升高，促进了填充物内某些物质发生化学反应，降低了填充物的熔点，出现了烧结问题[2]。

图5 冷隔位置示意图

图6 钢管内部粘砂示意图

图7 钢管内部缺陷示意图

第二次验证采用壁厚4.5 mm 的钢管，钢管内填入混好的碱酚醛树脂自硬砂，同时将钢管内埋入通气绳，钢管上下均使用专用随形芯撑。清理后钢管内腔可以清理干净，基本满足要求如图8 所示。另外由于钢管壁厚减小，冷隔褶皱现象较前次减轻许多，如图9 所示。

图8 钢管内部示意图

图9 冷隔位置示意图

在上述验证基础上进行了工艺优化：1）为钢管与本体更好地融合选择了壁厚为3 mm 的无缝钢管；2）钢管外表面砂轮小磨头打磨，去除油渍锈蚀（见图10）；3）内腔填充造型用树脂砂，预埋通气绳延伸至型外（见图11），防止内腔烧结；4）浇注过程中钢管会迅速膨胀变长，为保证钢管的直线度。钢管两端和芯型之间预留一定的间隙（见图12），确保钢管在长度方向能够自由收缩；5）用专用型芯撑对钢管进行全方位的牢固支撑，以避免在浇注过程中弯曲变形。将3 个方位芯撑设计成整体（见图13）.通过解剖结果可以看出，钢管内腔无粘砂，外部无冷隔，钢管与本体融合良好（见图14～图16）.

图10 钢管外壁去锈斑

图11 钢管内腔填充

图12 钢管与铸型预留间隙

图13 专用整体芯撑

图14 内腔无粘砂

图15 熔合良好

图16 无冷隔

从上述试验效果可以看出镶铸管工艺主要有三点需要解决：钢管与铸件本体熔合问题；钢管内壁清洁问题；油道变形弯曲问题。所以主油道镶铸管工艺可以从以下几方面着手：1）钢管材质、壁厚的选取：可以采用20#无缝钢管，壁厚3 mm～5 mm不等，根据油道壁厚选择合适的壁厚；2）钢管预处理：表面进行抛丸处理，抛丸后需检验钢管的直线度是否需要校直；配箱前用喷灯对铁管进行喷火干燥处理，确保没有生锈现象，有助于钢管与本体更好熔合；3）钢管内腔填充造型用的树脂砂，填砂紧实，并预埋排气通道，端头进行封堵避免钻铁水，同时预留钢管膨胀空间。

4 总结

对不同机体油道成型工艺不能一概而论，需要从油道砂芯稳定性，铸管工艺性、工装投入、加工、清理成本等多方面综合考虑，选择最适合的方式。油道直径大于70 mm，长径比小于30∶1 的油道适合砂芯铸造工艺；直径小于70 mm，且长径比大于30∶1 的油道采用不铸出工艺，由加工而成。油道直径大于70 mm，油道壁厚大于15 mm，且长径比大于30∶1 的油道可以采用镶铸管工艺。