楊 佳,商崇元,晏祥志
(廣西玉柴機(jī)器配件制造有限公司,廣西玉林 537005)
大型鑄件在鐵型覆砂工藝鑄造中并不少見,然而對于大型發(fā)動機(jī)曲軸類大斷面、橫向尺寸較大的鑄件,鐵型覆砂鑄造工藝仍然缺乏經(jīng)驗(yàn)。尤其曲軸作為發(fā)動機(jī)一大重要組成部件,承受連桿傳來的力,并對外輸出轉(zhuǎn)矩。在發(fā)動機(jī)工作中,曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期性變化的氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用使曲軸承受彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷,因此要求曲軸鑄件具有足夠的剛度和強(qiáng)度,各工作表面要耐磨而且潤滑良好[1],以保證其使用壽命和安全可靠性。
我公司開發(fā)的鐵型覆砂C3000 曲軸在前期生產(chǎn)過程中,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,冷氣隔(圖1)、渣眼(圖2)、砂眼(圖3)等鑄造不良率居高不下。不良因素嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的強(qiáng)度,削弱鑄件承受載荷的能力,降低鑄件的機(jī)械性能,甚至產(chǎn)生斷裂,使用壽命和可靠性無法獲得保障。因此,解決這幾類缺陷問題勢在必行,然而解決問題的措施大而寬泛,本文結(jié)合前期生產(chǎn)質(zhì)量問題產(chǎn)生的原理、位置,對鐵型覆砂鑄造工藝做出合理改進(jìn),最終控制缺陷的形成。
圖1 冷氣隔缺陷
圖2 渣眼
圖3 砂眼
冷氣隔即鑄件上穿透或不穿透的縫隙,邊緣呈圓角狀,由充型金屬流股匯合時熔合不良造成的[2]。根據(jù)常規(guī)鑄件冷氣隔產(chǎn)生原因分析,其產(chǎn)生的直接和間接因素是:澆注溫度、速度不穩(wěn)定,澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,鐵水成分工藝不合適,鑄型透氣性差,轉(zhuǎn)包工藝復(fù)雜鐵水質(zhì)量難以控制等。反觀實(shí)際C3000 改進(jìn)前的產(chǎn)品,冷氣隔缺陷80%出現(xiàn)于鑄型最高點(diǎn)。借鑒以往鑄件冷氣隔缺陷處理方法,同時借助模擬分析改進(jìn)工藝,再經(jīng)過多次產(chǎn)品試制經(jīng)驗(yàn)總結(jié),提出有效解決措施:增加鐵水充型靜壓力,改進(jìn)排氣方案;優(yōu)化澆注系統(tǒng)、熔化工藝。
砂眼即鑄件內(nèi)部或表面包裹砂粒、砂塊或其他造型材料的孔洞[2]。常見鑄造砂眼產(chǎn)生的原因多為:合箱前,型腔內(nèi)的浮砂未清理干凈;合箱過程操作不當(dāng),致使內(nèi)腔覆砂層產(chǎn)生塌型、掉砂等;合箱后澆注系統(tǒng)掉入砂塊、砂粒;或是涂料夾渣等原因。而前產(chǎn)品砂眼主要位于曲軸端頭,在多個主軸頸、連桿頸及平衡塊表面均存在此缺陷。曲軸鑄造工藝結(jié)合常規(guī)砂眼問題處理方法,并針對性的不斷改進(jìn)工藝,最終找出解決砂眼問題的主要措施為:優(yōu)化砂箱結(jié)構(gòu),改進(jìn)造型覆砂層。
渣眼是在金屬液中的一些非金屬夾雜物、難熔高熔點(diǎn)合金、金屬化合物等在型腔中相互作用后凝固在鑄件上的產(chǎn)物[2]。究其成因:熔煉金屬液時加入的熔劑和形成的熔渣;金屬液澆注中產(chǎn)生二次氧化,形成氧化夾渣;金屬液含硫量過高時,會和Mn 元素發(fā)生反應(yīng)生成MnS 夾雜物等。但在生產(chǎn)過程中渣眼的成因是出于過濾網(wǎng)本身,對此本文采取更換過濾網(wǎng)的措施來改進(jìn)渣眼問題。
不良品冷氣隔主要位于鑄型最高點(diǎn),即2、5拐(如圖4 所示深色位置)。經(jīng)模擬分析,發(fā)現(xiàn)鑄型在澆注后期的充型速度變慢,充型能力變差,甚至有短暫澆不進(jìn)的情形,說明鐵液受到型腔氣壓反作用比較大。這種情況下,鐵液自身壓力差傳遞不足;型腔的氣無法及時得到排出,阻礙了鐵液的流動。對應(yīng)的具體整改措施如下。
圖4 冷氣隔位置
2.1.1 提高鐵液靜壓力
將澆口杯高度由原來的200mm 提高到300mm~350mm,加大澆口杯與鑄型最高點(diǎn)的高度差,以獲得澆口杯與鑄型鐵液兩個最高點(diǎn)之間的壓力差,提高鐵水的充型能力(如圖5 所示)。
圖5 澆口杯改進(jìn)前后
2.1.2 設(shè)置排氣孔
對鐵型進(jìn)行工藝優(yōu)化改進(jìn),在2、5 拐最高點(diǎn)及其他必要位置設(shè)置排氣孔。排氣針(工裝)從上鐵型背面安裝并隨鐵型一起射型,安裝后排氣針(工裝)與模具之間約有10mm 左右的覆砂間隙,射型完畢再從鐵型背面取下排氣針(工裝),使得排氣孔位置鐵型上表面與鑄型之間只剩下10mm左右的覆砂厚度,相對之前不透氣的鐵型或厚厚的滿是覆膜砂的射孔,排氣能力更加強(qiáng)大,從而解決了鑄型排氣性差的問題。設(shè)計(jì)排氣針結(jié)構(gòu)如圖6 所示。
圖6 排氣針結(jié)構(gòu)
冷隔的產(chǎn)生受鐵液溫度直接影響,在一定的溫度下,澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是鐵液充型能力的關(guān)鍵所在,通過模擬分析,發(fā)現(xiàn)原有的澆注系統(tǒng)橫澆道設(shè)計(jì)不合理,導(dǎo)致鐵液充型慢,冷卻快,能量損失大,不利于鐵液的充型、補(bǔ)縮(如圖7 所示)。對應(yīng)的具體整改措施如下。
圖7 澆注系統(tǒng)模擬
2.2.1 優(yōu)化澆注系統(tǒng)
在合理范圍之內(nèi)增大原有的橫澆道截面積(如圖8),以使新澆注系統(tǒng)保證鐵液的充型溫度和速度。
2.2.2 優(yōu)化內(nèi)澆口位置
圖8 橫澆道改進(jìn)措施
圖9 原澆注系統(tǒng)
圖10 改進(jìn)后澆注系統(tǒng)
在找到合適澆注系統(tǒng)各澆道截面比例的基礎(chǔ)上,進(jìn)水口的位置也會直接影響鑄件的充型效果。當(dāng)鐵水由原本的第二、五連桿頸位置(如圖9)進(jìn)入型腔時,冷氣隔現(xiàn)象未減少。通過模擬輔助分析,將內(nèi)澆口位置改為由第五、八平衡塊位置(如圖10)進(jìn)入型腔,減少了鐵水從2、5 連桿頸吊芯下部通過的折彎造成的鐵液速度和能量的損失,達(dá)到減少冷隔的目的。
2.2.3 優(yōu)化熔化工藝
熔化工藝改轉(zhuǎn)包工藝為非轉(zhuǎn)包工藝,通過試制的試塊檢驗(yàn)(如表1、表2)知,該工藝下的試塊性能合格率較高,性能整體都較轉(zhuǎn)包工藝好,在性能控制方面也相對較穩(wěn)定。與此同時,非轉(zhuǎn)包工藝可使出鐵溫度、澆注溫度方面均比正常工藝可控度高,且更容易保證澆注溫度。此外,熔化工藝進(jìn)行多次澆注溫度調(diào)整試驗(yàn),最終確定最佳澆注溫度1350~1420℃。調(diào)整了碳含量,由原來的3.65%~3.85%調(diào)整為3.75%~3.85%,保證碳當(dāng)量,增加流動性,保證充型效果。
表1 試塊性能合格率
表2 試塊物理性能對比
在鐵型覆砂工藝造型工藝中,鑄造常有的崩砂、空殼都是形成砂眼缺陷的重要原因。通過大量的數(shù)據(jù)收集確認(rèn),空殼主要集中在第二、第五連桿頸處,容易造成兩個位置的崩砂多肉;橫澆道周邊的覆砂層只有4~6mm,澆注系統(tǒng)4~6mm 的覆砂層經(jīng)過鐵液長時間的烘烤和沖刷,更容易產(chǎn)生收縮拉裂和強(qiáng)度衰減,形成砂眼,這從澆注系統(tǒng)拋丸的外觀可以得到論證。因此對于鐵型覆砂工藝大鑄件,覆砂層與澆注時間都會成為影響砂眼缺陷的因素。
2.3.1 優(yōu)化砂箱結(jié)構(gòu)
圖11 鐵型增加射砂孔橫槽及加大橫澆道覆砂層
在容易出現(xiàn)空殼位置的第二、第五連桿頸處射砂孔增加橫槽(如圖11 所示),加大覆膜砂從射孔通向空殼位置的路徑,延長覆膜砂定向固化時間,加大覆砂充型能力;此外,采取射砂孔型腔面增加倒角,以改善射砂壓力角和擴(kuò)散面積,提升覆膜砂的流動性,杜絕空殼問題。
2.3.2 加厚橫澆道覆砂層
覆砂層的強(qiáng)度不足時,產(chǎn)生崩砂風(fēng)險(xiǎn)極大,影響鑄件質(zhì)量。當(dāng)對經(jīng)常出現(xiàn)崩砂的橫澆道覆砂厚度進(jìn)行檢查確認(rèn)時發(fā)現(xiàn),橫澆道周邊的覆砂層只有4~6mm,比正常生產(chǎn)的中小件產(chǎn)品覆砂層還要薄。覆砂高溫收縮拉裂,容易與鐵型砂箱剝離脫落沖入鐵水,導(dǎo)致砂眼。于是將鐵型澆注系統(tǒng)橫澆道在隨模具橫澆道加大截面的基礎(chǔ)上再對鐵型進(jìn)行處理,保證澆注系統(tǒng)覆砂層厚度10~12mm 左右(如圖12),增加覆膜砂層厚度,提高抗高溫強(qiáng)度,減少鐵液沖刷造成的砂眼。
圖12 被沖破纖維濾網(wǎng)的澆注系統(tǒng)解剖圖
渣眼主要分布在2、5 拐附近,占22.7%;缺陷面積大,且成片。經(jīng)過對澆注系統(tǒng)解剖,發(fā)現(xiàn)很多用于鐵水過濾的纖維過濾網(wǎng)變形破裂(圖12),已經(jīng)無過濾鐵水雜質(zhì)的作用,反而使過濾網(wǎng)本身被沖破進(jìn)入鑄型后,其自身成為了一種雜質(zhì)。分析認(rèn)為:渣眼的主要來源為過濾網(wǎng),由于大型曲軸鐵液量和澆注時間都比普通鑄件多,原有的纖維過濾網(wǎng)過濾量超過了本身的過濾能力,不足以支撐C3000 曲軸鐵液長時間的高溫沖刷而造成斷裂。
從長期的生產(chǎn)成本考慮,調(diào)整選用的纖維過濾網(wǎng)。纖維過濾網(wǎng)在高溫、高壓和沖擊的環(huán)境中工作,其最高工作溫度和過濾能力是評價(jià)纖維過濾網(wǎng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)[4]。在幾種纖維濾網(wǎng)的高溫強(qiáng)度測試中,三股繩玻璃纖維濾網(wǎng)獨(dú)樹一幟。因此,三股濾網(wǎng)替代原來的普通玻璃纖維濾網(wǎng)生產(chǎn)成為新的優(yōu)化方案(如圖13 所示),驗(yàn)證其使用效果如圖14 所示時,發(fā)現(xiàn)并無破損現(xiàn)象。
對大型發(fā)動機(jī)曲軸鐵型覆砂工藝優(yōu)化改進(jìn)后,成熟的工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,經(jīng)長期的生產(chǎn)驗(yàn)證,產(chǎn)品的冷隔、氣隔、砂眼、渣眼等不良得到明顯改善,綜合廢品率由原來的23.9%下降到5%以內(nèi),有效的降低了該產(chǎn)品的質(zhì)量成本。
圖13 新舊濾網(wǎng)對比圖
圖14 三股濾網(wǎng)使用效果