直列气缸体立浇铸造工艺设计

原创 王彩娟，廉振文 铸造工程 2022-11-30 15:36 发表于北京

编辑导语：

针对直列气缸体卧浇工艺出现的铸造缺陷高的问题，介绍了采用气缸体立浇工艺过程。采用适流浇注系统，通过控制内浇口入口速度和横浇道流速，并计算浇道截面积，再结合铸造仿真计算结果对浇注系统进行模拟工艺设计的可行性。经过批量生产验证，铸件废品率降低至4.02%，满足产品工艺要求。

国六排放标准的柴油机直列4缸气缸体，按传统的卧浇工艺生产，气缸体毛坯由于壁厚的变化容易出现气孔、冷隔、砂眼、渣眼、裂纹、渗漏等壁薄件常见的铸造缺陷，同时，因卧浇工艺上下箱的温差较大，影响水套芯和油气室芯在浇注过程中的受力与受热，会出现水套、油气室断芯、壁厚超差和粘砂烧结等不良品，废品率高达10%。为了解决以上问题，尝试开发立浇工艺进行生产。

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技术要求

气缸体毛坯外形如图1所示，材质牌号选用HT300，化学成分如表1所示，铸件基本壁厚为4.5 mm，质量80 kg，最大轮廓尺寸为440 mm×465 mm×335 mm，力学性能要求抗拉强度≥260 MPa，金相组织珠光体含量大于97%，以A型石墨为主，不允许有C型石墨。要求铸件水套、主油道、缸孔、螺纹孔以及需要密封的加工平面不允许有气孔、裂纹、砂眼等缺陷。

图1 毛坯三维图

表1 铸件的化学成分（质量分数，%）

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工艺方案

现有生产工艺，制芯采用呋喃树脂冷芯砂制芯生产线；造型采用湿型粘土砂HW静压造型生产线；中频炉熔炼。

浇注采用底注式立浇工艺，一箱2件，如图2所示。缸顶面朝上，机脚面朝下，全包砂芯结构工艺。

砂芯如图3所示，种类有缸顶面芯、水套芯、缸孔芯、端面芯、油气室芯、侧面芯。水套芯、油气室芯选用铬矿复合砂；缸顶面芯、缸孔芯、前后端面芯、左右侧面芯选用普通硅砂。砂芯组整体打包后机器人整体自动下芯。砂芯使用水基涂料。

图2 铸件的造型结构

1-缸顶面芯，2-水套芯，3-缸孔芯、前后端面芯，4-左油气室芯，5-左侧面芯，6-右油气室芯，7-右侧面芯

图3 砂芯模型简图

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工艺参数

铸件的加工余量为3~4 mm。工艺补正包括螺孔凸台、油道壁厚、基本壁厚、涂料、抛丸补正，工艺补正量全部在工艺三维模型设计过程中设计完成，不允许在模具加工环节通过调整刀具加工保证，具体工艺补正量见表2。

铸造收缩率根据相似机型的划线结果及加工后的成品毛坯凸台偏差情况进行计算确定，宽和高方向为0.8%，长方向为1%（缸孔芯曲轴箱段0.5%）。

表2 工艺补正量数据表（单位：mm）

浇注系统按适流浇注系统设计原则，铸铁材质内浇口入口线速度理论值为0.45 m/s，根据立浇的实际情况进行调整，设计3个关键工艺平均速度值为：内浇口入口线速度为0.48 m/s，铸型液面上升速度为0.025 9 m/s，横浇道流速为0.6 m/s。充型时间为13 s，根据铸造仿真结果修正确定浇注系统的截面积与结构，浇注系统参数如表3所示，结构如图4所示。

表3 浇注系统参数

图4 浇注系统示意图

为保证砂芯排气通道，水套和油气室部位由于产品结构特殊，产品要求该部位具有高的密封性。为了满足产品需求，需要预防水套和油气室部位粘砂、气孔的产生，需对水套芯、油气室芯芯头设置排气通道，通过工艺孔芯头把砂芯气引起至型腔，再从型腔引出砂箱面，如图5、图6所示。

图5水套芯排气通道示意图

图6 油气室芯排气通道示意图

为有效控制毛坯尺寸，需要合理选择组芯、下芯间隙，具体如表5所示；设计组芯间隙时须从长、宽、高3个方向设计定位面定位砂芯，避免过定位和定位不准确；检具应保证分别检测单个砂芯、芯组、下芯尺寸，确保每个状态的尺寸受控；制定砂芯在储存和输送过程相应的流转要求，必要时设计一些定位面，预防砂芯、芯组的变形。

表5 组芯间隙（单位：mm）

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铸造仿真计算

根据以上工艺方案及工艺参数设计三维工艺模型，进行铸造仿真计算，对浇注系统的挡渣能力、温度场变化、缩松风险进行了评估，对工艺模型进行修正。具体如下：

（1）浇注系统的挡渣能力如图7所示，浇注系统的挡渣能力一般，从粒子的行程和分布看主要集中在下横浇道附近，部分粒子早期随第一股铁液进入铸型后通过溢流系统引出铸件外。受生产条件制约，浇注系统的挡渣能力无法再提升。

图7 浇注系统挡渣能力模拟效果图

（2）浇注完成瞬间的温度场分布如图8所示，经3次工艺调整后，在低温区增加了溢流措施，预防低温区铁液不流动易形成夹杂、气孔风险。

图8 浇注完成瞬间温度场分布图

（3）缩松风险评估如图9、图10所示，分别为铸件的热节及孔隙率位置分布情况。铸件热节主要分布在端面水泵与水道连接处的厚大位置和侧面主油道厚大位置。铸件缩松风险位置与铸件热节位置一致，最大的缩松孔隙率为4.45%，根据按现有经验孔隙率小于10%时可不用采取措施。

图9 铸件热节位置分布图

图10 孔隙率分布图

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生产验证

从2019年3月份批量生产至2021年8月份共完成28 254件毛坯生产，各种缺陷类型及废品率如表6所示。总废品率为4.02%，该工艺生产的铸件毛坯可以满足小于5%的废品率要求。

表6 铸件批量废品率

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结论

该立浇工艺有效控制了卧浇工艺难以解决的铸造缺陷问题。通过适流浇注系统新理念和铸造仿真计算的应用，提高了铸造工艺设计质量。尽管本工艺开发取得预想的效果，但是仍存在以下问题需要不断完善。

（1）受生产条件限制，浇注系统的横浇道无法设计为低流速结构，铁液流速快，挡渣效果差是砂眼和气孔缺陷较高的原因之一。

（2）全包砂芯工艺存在浇注过程中因打包带失效导致砂芯组涨大，从而引起砂芯组之间的配合间隙变大漏铁液的问题。

作者单位：广西玉柴船电动力有限公司

编辑审核：柳建国

微信编辑：蔡文娟