大型船用柴油機氣缸蓋鑄造工藝

大型船用柴油機氣缸蓋鑄造工藝

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)復雜,內(nèi)外部質(zhì)量要求嚴格,因其長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,保壓10min以上不得有滲漏現(xiàn)象。鑄件尺寸精度要求達到CT8～CT10,鑄件非加工表面粗糙度要求達到Ra≤25μm。燃燒室內(nèi)腔工作表面機械加工后需進行磁粉探傷檢驗,不允許有任何鑄造缺陷存在。1雕塑工藝設(shè)計1.1順序凝固試驗從結(jié)構(gòu)上看,該鑄件形狀復雜,壁厚不均,易產(chǎn)生裂紋,厚實部位的心部易產(chǎn)生縮孔或縮松;其燃燒室上部有個較大熱節(jié),可通過冒口加補貼進行補縮,下部喇叭口熱節(jié)處冒口補縮不到,且又不能使用內(nèi)冷鐵,此處極易產(chǎn)生縮孔或縮松;可通過調(diào)整澆口的位置、正確使用外冷鐵消除熱節(jié)來實現(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150mm,以下的部位壁厚多在45mm左右,從利于順序凝固和補縮考慮,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、呈萬字形狀與補貼相交進入,這樣的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、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化鑄件補縮,減少鑄造應力,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,外圈放置?165mm×500mm保溫明冒口4個,2層總高400mm,按模數(shù)法計算。該鑄件內(nèi)圈模數(shù)M內(nèi)按空心圓柱體計算,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(合金含量很少對收縮影響作用很小,可參考相應碳鋼有關(guān)公式來進行計算),當M內(nèi)冒≥1.2M內(nèi)時,就可實現(xiàn)冒口對鑄件最后凝固部位的補縮;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,冒口的有效補縮距離為L內(nèi)冒=2[30(T)1/2+T]=2×[30×(45)1/2+45]=492mm,則內(nèi)圈設(shè)置4個冒口的有效補縮距離4L內(nèi)冒=4×492mm=1968mm,大于缸蓋內(nèi)圈需要補縮的距離πD=3.14×(420+45)=1460(mm),故設(shè)置4個冒口是較為適宜的。同時冒口必須具有足夠的金屬液補充鑄件被補縮部分的體積收縮,補縮內(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)圈冒口補縮所需鋼液量也是足夠的。經(jīng)計算該鑄件外圈設(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縮距離不夠,故在?180mm保溫暗冒口之下設(shè)置補貼,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)切圓法得出補貼的高度200mm、厚度50mm,共4個。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、上部帶?56mm斜孔4個、?90mm斜孔3個),砂芯設(shè)計是工藝設(shè)計中的一大難點,砂芯的排氣、定位、清砂都存在困難。通過研究實踐,運用中空組合砂芯、鋼芯頭定位、上下共計11個小芯頭設(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個斜孔采用普通砂芯或被壓壞或被鋼液沖毀,為此采用4個(?35、?25mm斜芯各2個)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高度適中不超過砂芯頂面的吊環(huán),在制芯時適當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個小斜芯(?56mm斜芯4個、?90mm斜芯3個)、并且在7個小斜芯與環(huán)形芯連接面部位四周插4～6顆大長鐵釘子,以提高連接強度,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)澆口并通過補貼進入工件,彼此的相對位置一定要準確。在砂芯頂部留有兩個不超過砂芯頂面的內(nèi)埋吊環(huán),在制芯時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樣。在上箱實樣上對內(nèi)圈?180mm×210mm保溫暗冒口4個、外圈165mm×500mm保溫冒口4個的相關(guān)位置作出標記,在上箱實樣上的中心部位制出?65mm、高10mm的凸臺,以便當作碼放?70mm直澆口瓷管定位之用。下箱實樣的底部制出4個(?35mm、?25mm斜芯各2個)高3mm隨形芯頭以便當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個鋼制芯頭定位孔(?37、?27mm孔各2個,其深度為與之對應的該處工件壁厚加3mm定位芯頭),7個小斜芯(?56mm斜芯4個、?90mm斜芯3個)分別采取7個聯(lián)體活芯盒(不留定位芯頭)。1#砂芯采用整體芯盒,冒口補貼為活塊,冷鐵位置及直澆道位置分別在芯上作出標記。加工余量為10mm;鑄造收縮率為2%;起模斜度2.5°;分型負數(shù)3mm。2.2面砂60%再生砂+40%新砂+有機酯固化劑見表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,背砂(80%再生砂+20%新砂)+3%水玻璃+0.5%有機酯固化劑;面砂(60%再生砂+40%新砂)+3%水玻璃+0.5%有機酯固化劑。造型時在下箱4個(?35mm、?25mm斜芯各2個)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、外圈放置?165mm×500mm保溫冒口4個的標記位置,碼放相應大小的冒口和?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,分層點燃干燥固化以增加型砂表面強度,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)壓泥團的高度在2#內(nèi)腔環(huán)形砂芯7個小斜芯及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堵塞2#環(huán)形砂芯頂部留有兩個吊環(huán)凹坑并刷鋯英粉醇基涂料點燃固化,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,在檢查無落砂和無浮砂的情況下再合箱,合箱時確保上箱澆冒口與1#砂芯補貼及直澆道相應位置對正。2.4u2004鑄造工藝ZG35CrMo化學成分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。澆注時待明冒口中鋼液升至1/3高后及時加保溫劑,直到澆滿為止,不用點冒口補縮,這樣鋼液消耗少,補縮效率高,且保證鑄件的化學成分不變。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?90mm和4個?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鑄造缺陷檢測此批缸蓋作為大型船舶上維修配件產(chǎn)品共計生產(chǎn)18只,鑄件經(jīng)退火時效熱處理、機械加工后進行磁粉探傷檢查,均達到了產(chǎn)品設(shè)計的有關(guān)技術(shù)