大型船用柴油機(jī)氣缸蓋鑄造工藝

大型船用柴油機(jī)氣缸蓋鑄造工藝

大型商用車門蓋是船舶使用的重要部件。圖1顯示了蓋的結(jié)構(gòu)。最大尺寸為150m520mm，毛重1.65噸。環(huán)形水腔的主壁厚度為45mm，最小壁厚度為25mm，材料為zg35rcmo。該件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)外部質(zhì)量要求嚴(yán)格,因其長(zhǎng)期在高溫條件下工作,鑄件不允許有裂紋、縮孔、疏松、氣孔、砂眼、夾渣、冷隔等鑄造缺陷,缸蓋燃燒室冷卻循環(huán)水腔需經(jīng)0.7MPa水壓試驗(yàn),保壓10min以上不得有滲漏現(xiàn)象。鑄件尺寸精度要求達(dá)到CT8～CT10,鑄件非加工表面粗糙度要求達(dá)到Ra≤25μm。燃燒室內(nèi)腔工作表面機(jī)械加工后需進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn),不允許有任何鑄造缺陷存在。1雕塑工藝設(shè)計(jì)1.1順序凝固試驗(yàn)從結(jié)構(gòu)上看,該鑄件形狀復(fù)雜,壁厚不均,易產(chǎn)生裂紋,厚實(shí)部位的心部易產(chǎn)生縮孔或縮松;其燃燒室上部有個(gè)較大熱節(jié),可通過(guò)冒口加補(bǔ)貼進(jìn)行補(bǔ)縮,下部喇叭口熱節(jié)處冒口補(bǔ)縮不到,且又不能使用內(nèi)冷鐵,此處極易產(chǎn)生縮孔或縮松;可通過(guò)調(diào)整澆口的位置、正確使用外冷鐵消除熱節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)順序凝固。冷卻循環(huán)水腔容積大,狹小的清砂孔出砂、排氣、定位都存在困難。1.2澆注位置和分型面缸蓋上口最大壁厚達(dá)150mm,以下的部位壁厚多在45mm左右,從利于順序凝固和補(bǔ)縮考慮,故選取缸蓋上口向上(如圖1所示)的澆注位置,頂部曲面為分型面,使鑄件整體放在下箱,上箱只有冒口和缸蓋頂曲面及少部外邊。這樣,鑄件的主要結(jié)構(gòu)部分均控制在下箱,有利于保證鑄件尺寸。1.3退火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用開放式澆注系統(tǒng),直澆道選用內(nèi)徑?70mm耐火瓷管沿圓芯中心引入,內(nèi)澆道采取?40mm耐火瓷管4道均布,沿圓周切線、呈萬(wàn)字形狀與補(bǔ)貼相交進(jìn)入,這樣的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,便于清理,連續(xù)充型平穩(wěn),鑄型內(nèi)的溫度分布有利于強(qiáng)化鑄件補(bǔ)縮,減少鑄造應(yīng)力,防止鑄件出現(xiàn)變形、裂紋等,澆道用耐火瓷管,可有效避免沖砂。1.4澆注口表數(shù)計(jì)算缸蓋厚大熱節(jié)處極易產(chǎn)生集中收縮,因此在鑄件內(nèi)外圈厚大熱節(jié)處設(shè)置冒口。如圖1所示,內(nèi)圈設(shè)置?180mm×210mm保溫暗冒口4個(gè),外圈放置?165mm×500mm保溫明冒口4個(gè),2層總高400mm,按模數(shù)法計(jì)算。該鑄件內(nèi)圈模數(shù)M內(nèi)按空心圓柱體計(jì)算,根據(jù)M內(nèi)=a內(nèi)/2(b內(nèi)>5a內(nèi)),式中內(nèi)圈截面的長(zhǎng)度b內(nèi)=323.3+80=403.3(mm)=40.33cm,內(nèi)圈截面的寬度a內(nèi)=45mm=4.5cm;則b內(nèi)/a內(nèi)=40.33cm/4.5cm=8.98>5,故M內(nèi)=a內(nèi)/2=4.5cm/2=2.25cm。計(jì)算得?180mm×210mm保溫暗冒口的模數(shù)M內(nèi)冒=4.85cm;ZG35CrMo屬于低合金鋼(合金含量很少對(duì)收縮影響作用很小,可參考相應(yīng)碳鋼有關(guān)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算),當(dāng)M內(nèi)冒≥1.2M內(nèi)時(shí),就可實(shí)現(xiàn)冒口對(duì)鑄件最后凝固部位的補(bǔ)縮;M內(nèi)冒/M內(nèi)=4.85/2.25=2.2≥1.2,冒口模數(shù)符合要求。考慮冷鐵的作用,冒口的有效補(bǔ)縮距離為L(zhǎng)內(nèi)冒=2[30(T)1/2+T]=2×[30×(45)1/2+45]=492mm,則內(nèi)圈設(shè)置4個(gè)冒口的有效補(bǔ)縮距離4L內(nèi)冒=4×492mm=1968mm,大于缸蓋內(nèi)圈需要補(bǔ)縮的距離πD=3.14×(420+45)=1460(mm),故設(shè)置4個(gè)冒口是較為適宜的。同時(shí)冒口必須具有足夠的金屬液補(bǔ)充鑄件被補(bǔ)縮部分的體積收縮,補(bǔ)縮內(nèi)圈熱節(jié)部位重量G內(nèi)=653kg,冒口重量G內(nèi)冒=168kg,(取密度值為7.85g/cm3)冒口能補(bǔ)縮的最大熱節(jié)重量G內(nèi)最大=[(η-ε)/ε]×G內(nèi)冒,式中保溫冒口補(bǔ)縮效率η=25%,鋼的凝固收縮率ε=4.5%,則G內(nèi)最大=[(25-4.5)/4.5]×168=765kg;故G最大>G內(nèi),因此內(nèi)圈冒口補(bǔ)縮所需鋼液量也是足夠的。經(jīng)計(jì)算該鑄件外圈設(shè)置的165mm×500mm共4只保溫冒口,其尺寸也是合適的。1.5確定冒口方向,確定補(bǔ)貼缸蓋燃燒室不得有滲漏現(xiàn)象,要求鑄件組織致密度高。冒口在垂直方向的補(bǔ)縮距離不夠,故在?180mm保溫暗冒口之下設(shè)置補(bǔ)貼,形成向冒口方向的順序凝固,以最大限度地消除軸線縮松。如圖2所示,采用熱節(jié)內(nèi)切圓法得出補(bǔ)貼的高度200mm、厚度50mm,共4個(gè)。1.6冷鐵厚度的確定如圖2所示,在內(nèi)圈圓芯(即1#砂芯)下部熱節(jié)處放置外冷鐵,根據(jù)冷鐵厚度通常為被激冷處壁厚(或熱節(jié)圓直徑)的0.5～1.0倍之選用原則,此處被激冷壁厚為67mm,因此選取冷鐵的尺寸及數(shù)量為?50mm×80mm方鋼,間距50mm,共6塊。1.7解決了芯芯安裝難題該鑄件冷卻水內(nèi)腔為環(huán)形狀(下部帶?35mm和?25mm斜孔各2個(gè)、上部帶?56mm斜孔4個(gè)、?90mm斜孔3個(gè)),砂芯設(shè)計(jì)是工藝設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn),砂芯的排氣、定位、清砂都存在困難。通過(guò)研究實(shí)踐,運(yùn)用中空組合砂芯、鋼芯頭定位、上下共計(jì)11個(gè)小芯頭設(shè)置排氣孔的(并在下箱鋼芯頭定位處扎出?10～?15mm通氣孔與鋼芯頭相連通以增強(qiáng)排氣作用)方案成功的解決了這一難題。2#環(huán)形砂芯具體工藝如圖3所示。下部4個(gè)斜孔采用普通砂芯或被壓壞或被鋼液沖毀,為此采用4個(gè)(?35、?25mm斜芯各2個(gè))鋼制芯頭(中間鉆孔)與芯鐵焊接在一起作為定位,有效地控制了竄位現(xiàn)象的發(fā)生。芯鐵采用2■鋼管圍制并在鋼管外壁上交叉制出?10mm的相應(yīng)數(shù)量排氣孔與鋼芯頭排氣孔串通在一起,在芯鐵頂部留有兩個(gè)高度適中不超過(guò)砂芯頂面的吊環(huán),在制芯時(shí)適當(dāng)挖出凹坑露出以便起吊之用。芯砂采用退讓性好的酯硬化水玻璃砂制作一個(gè)包含所有外圍小砂芯在內(nèi)的整體大砂芯,即把環(huán)形芯中心分段挖空(并在上面用薄紙板遮蓋,以遮擋上部型砂),頂部用刮板修制出砂芯的上半部分,然后再用聯(lián)體活芯盒制出上面7個(gè)小斜芯(?56mm斜芯4個(gè)、?90mm斜芯3個(gè))、并且在7個(gè)小斜芯與環(huán)形芯連接面部位四周插4～6顆大長(zhǎng)鐵釘子,以提高連接強(qiáng)度,防止出現(xiàn)連接根部斷裂現(xiàn)象發(fā)生,并在中心扎出排氣孔與中空層連通。1#砂芯具體工藝如圖2所示。在下部?387mm的圓周均勻放置?50mm×80mm外冷鐵4塊,中心直澆道放置?70mm的瓷管,在其下部的四通分別連接4道內(nèi)澆口并通過(guò)補(bǔ)貼進(jìn)入工件,彼此的相對(duì)位置一定要準(zhǔn)確。在砂芯頂部留有兩個(gè)不超過(guò)砂芯頂面的內(nèi)埋吊環(huán),在制芯時(shí)挖砂露出以便起吊之用。2鑄造產(chǎn)量控制2.1下箱、下芯砂芯如圖1所示,模樣采用沿分型面分割成上下兩箱的整體實(shí)樣。在上箱實(shí)樣上對(duì)內(nèi)圈?180mm×210mm保溫暗冒口4個(gè)、外圈165mm×500mm保溫冒口4個(gè)的相關(guān)位置作出標(biāo)記,在上箱實(shí)樣上的中心部位制出?65mm、高10mm的凸臺(tái),以便當(dāng)作碼放?70mm直澆口瓷管定位之用。下箱實(shí)樣的底部制出4個(gè)(?35mm、?25mm斜芯各2個(gè))高3mm隨形芯頭以便當(dāng)作鋼制芯頭定位之用,且在中間留出?292mm芯頭定位。2#環(huán)形砂芯采用如圖1所示的上刮板、下芯盒并在其底部開設(shè)4個(gè)鋼制芯頭定位孔(?37、?27mm孔各2個(gè),其深度為與之對(duì)應(yīng)的該處工件壁厚加3mm定位芯頭),7個(gè)小斜芯(?56mm斜芯4個(gè)、?90mm斜芯3個(gè))分別采取7個(gè)聯(lián)體活芯盒(不留定位芯頭)。1#砂芯采用整體芯盒,冒口補(bǔ)貼為活塊,冷鐵位置及直澆道位置分別在芯上作出標(biāo)記。加工余量為10mm;鑄造收縮率為2%;起模斜度2.5°;分型負(fù)數(shù)3mm。2.2面砂60%再生砂+40%新砂+有機(jī)酯固化劑見表2造型材料選用天然硅砂,粒度40～70目,含泥量≤0.5%,水分≤0.5%,SiO2含量大于97%?；焐霸O(shè)備使用懸臂式混砂機(jī),背砂(80%再生砂+20%新砂)+3%水玻璃+0.5%有機(jī)酯固化劑;面砂(60%再生砂+40%新砂)+3%水玻璃+0.5%有機(jī)酯固化劑。造型時(shí)在下箱4個(gè)(?35mm、?25mm斜芯各2個(gè))鋼制芯頭定位3mm深的淺窩中心處事先開設(shè)好?10mm排氣孔通道,以確保2#環(huán)形砂芯在高溫下產(chǎn)生的氣體通過(guò)鋼制芯頭?10mm排氣孔通道排出體外,防止鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷;在上箱7個(gè)小斜芯部位中心處鉆出?12mm、深20mm的孔,事先加放?10mm圓鋼棍,待型砂固化后拔出作為排氣孔,在上箱內(nèi)圈?180mm×210mm保溫暗冒口4個(gè)、外圈放置?165mm×500mm保溫冒口4個(gè)的標(biāo)記位置,碼放相應(yīng)大小的冒口和?70mm直澆口瓷管。2.3砂芯的碼放和砂芯設(shè)置為了防止鑄件表面產(chǎn)生粘砂,在上下箱型腔工作表面及砂芯工作表面涂刷抗粘性好、耐火度高的鋯英粉醇基涂料2～3層,分層點(diǎn)燃干燥固化以增加型砂表面強(qiáng)度,避免表層落砂,提高鑄件質(zhì)量。首先將2#內(nèi)腔環(huán)形砂芯按正確位置在下箱碼放好,其次是碼放1#砂芯;待檢查鑄件內(nèi)外腔尺寸、并用卡鉗檢測(cè)底部及內(nèi)外周圈壁厚符合圖紙要求后,再合上箱,用壓泥團(tuán)的辦法檢查頂部壁厚是否合適,并根據(jù)情況予以調(diào)整,根據(jù)壓泥團(tuán)的高度在2#內(nèi)腔環(huán)形砂芯7個(gè)小斜芯及1#砂芯?420mm中心部位上壓石棉繩和少許油泥,用混拌好的型砂填補(bǔ)堵塞2#環(huán)形砂芯頂部留有兩個(gè)吊環(huán)凹坑并刷鋯英粉醇基涂料點(diǎn)燃固化,上、下箱分型面壓石棉繩以防止跑火;在上箱澆口處頂面加放澆口杯耐火磚管并培砂固化后,在檢查無(wú)落砂和無(wú)浮砂的情況下再合箱,合箱時(shí)確保上箱澆冒口與1#砂芯補(bǔ)貼及直澆道相應(yīng)位置對(duì)正。2.4u2004鑄造工藝ZG35CrMo化學(xué)成分w為:0.3%～0.4%C,0.4%～0.6%Si,0.5%～1.0%Mn,≤0.035%P,≤0.035%S,0.8%～1.0%Cr,0.2%～0.3%Mo。貴金屬鉬鐵合金的加入量一定控制在給定的范圍內(nèi),準(zhǔn)確配料,以確保鑄件材質(zhì)合格。熔煉設(shè)備為15t電弧爐,鑄件毛坯包括澆冒口總重為3.2t,一爐澆4件,澆注溫度為1580℃。鋼液脫氧一定要干凈徹底,以防產(chǎn)生氣孔。澆注時(shí)待明冒口中鋼液升至1/3高后及時(shí)加保溫劑,直到澆滿為止,不用點(diǎn)冒口補(bǔ)縮,這樣鋼液消耗少,補(bǔ)縮效率高,且保證鑄件的化學(xué)成分不變。2.5芯砂的氣割斷首先把鑄件外表面清理干凈,然后割除澆冒口,最后沿著3個(gè)?90mm和4個(gè)?56mm孔將缸蓋內(nèi)腔芯砂掏出,并用氣割將芯鐵割斷后從7個(gè)清砂孔內(nèi)分段取出,鑄件不允許有積砂和芯鐵等殘留在冷卻水環(huán)形內(nèi)腔之內(nèi)。3鑄造缺陷檢測(cè)此批缸蓋作為大型船舶上維修配件產(chǎn)品共計(jì)生產(chǎn)18只,鑄件經(jīng)退火時(shí)效熱處理、機(jī)械加工后進(jìn)行磁粉探傷檢查,均達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有關(guān)技術(shù)