大型复杂结构铸件表面气孔缺陷解决对策.pdf

2024年第1 期2024年2 月铸造工艺大型复杂结构铸件表面气孔缺陷解决对策铸造设备与工艺FOUNDRY EQUIPMENT AND TECHNOLOGYD0I:10.16666/ki.issn1004-6178.2024.01.004Feb.2024No1王洁英，张聚辉，鲁栋，汪继革，刘磊（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊2 6 1 1 0 8）摘要：以一种大型机体气孔缺陷为例，总结了复杂结构机体上表面气孔缺陷的解决方法。通过铸造仿真模拟分析了气孔缺陷形成机理，主要原因为：（1)铁水到达上表面时温度降低至1 2 1 0 附近，不利于侵入性气体上浮排出；(2)机体上表面缺少纵向排气通道、气眼和溢流冒口；(3)凸轮轴上部为拱形薄壁结构，浇注后期铁水粘稠，气体流动不畅无法顺利排出。通过改进机体上表面结构、提高排气能力等方案，解决了铸件表面气孔缺陷。关键词：气孔缺陷；机体；浇注系统中图分类号：TG245Solution of Blowhole Defects on the Large Complex Casting SurfaceWANG Jie-ying,ZHANG Ju-hui,LU Dong,WANG Ji-ge,LIU Lei(Weichai Heawy Machinery Co.,Ltd.,Weifang Shandong 261108,China)Abstract:Taking a large body as an example,the solution to the porosity defect on the upper surface of complex body issummarized.The formation mechanism of pore defects was analyzed by casting virtual simulation.The main reasons are as follows.When hot metal reaches the upper surface,the temperature drops to about 1 210 C,which is not conducive to the floating anddischarge of intrusive gas.The upper surface of the body lacks longitudinal exhaust channels,gas holes and overflow risers.The upperpart of the camshaft is an arched thin-wall structure,and the hot metal is thick and the gas flow is not smooth and can not bedischarged smoothly.By improving the structure of the upper surface and increasing the exhaust capacity,the surface porosity defectsof the casting can be solved.Key words:blowhole defect,engine body,casting system文献标识码：A文章编号：1 6 7 4-6 6 9 4(2 0 2 4)0 1-0 0 1 2-0 3发动机机体是发动机最为核心的部件之一，机体集成化程度高、结构复杂，不仅作为零部件承载体，而且要承载运行过程中的高压，这对机体的质量具有严格的要求。随着我厂产能项目的全面升级改造，大型机体铸件由小批量生产转为批量自动化生产，机体铸造工艺改变引起铸件表面气孔缺陷率高达30%,成为大型铸件批量生产中急需解决的问题。1机体结构与铸造工艺发动机机体材质为HT280，为直列6 缸结构，基本尺寸为1 2 8 5mmx460mmx650mm，主要壁厚8mm，重量为6 50 kg，机体集成化程度高，结构复杂。铸件采用批量自动化产线生产模式，以碱性酚醛树脂自硬砂造型，采用三乙胺法制备冷芯盒砂芯，使用ABB机器人整体组芯研箱。铸造工艺采用半封闭式浇注系统，卧浇底注加中注倾斜浇注工收稿日期：2 0 2 3-0 8-0 1作者简介：王洁英（1 9 9 3-），男，硕士，工程师，主要从事铸造工艺开发和质量控制，邮箱：7 0 41 9 3 2 2 9 .12艺，内浇道分布在轴承档端和缸孔端的两侧并上下双层分布。2缺陷特征及原因分析2.1缺陷特征机体铸件主要缺陷为表面气孔，气孔主要出现在机体上表面，分布在横向加强筋顶部和凸轮轴拱形结构上部,形状主要为团球状或者面积较大的扁平状，在抛丸后发现，根据气孔形貌特征，判定为典型的侵人性气孔。气孔形貌特征如图1 所示。2.2原因分析2.2.1钅铸造仿真模拟分析通过铸造仿真软件MAGMA对粒子流、温度场、浇注系统和铁水运动轨迹进行模拟分析。选择浇注温度1 3 9 0 进行粒子流、温度场模拟分析，发现充型初期两侧浇道铁水会发生碰撞，铁水在内部对流，在充型结束时上表面加强筋和凸轮轴拱形位置温度低于1 2 1 0，铁水流动性差，气体无法快速上浮并排出。模拟分析结果如图2 所示。2024年第1 期王洁英，张聚辉，鲁栋，汪继革，刘磊：大型复杂结构铸件表面气孔缺陷解决对策铸造设备与工艺a）后端气孔a）粒子流分析图2 粒子流和温度场模拟图进行铸造过程浇注系统和铁水运动轨迹模拟分析，浇注5s时，缸孔上部内浇道铁水喷洒进入型腔，铁水表面积大，与空气接触面积大，降温快、易卷气，如图3 a)所示。浇注1 0 s15 s,上层浇道铁水与底部浇道铁水同时进人型腔，造成铁水发生碰撞和紊流，造成内部铁水裹气，如图3 b）3 c)所示。浇注2 0 s以后，铸件基本成型，上表面铁水温度出现明显的降低，如图3 d)所示。2.2.2机体结构特性分析机体上表面局部结构如图4所示，凸轮轴位置存在非常大的拱形结构,机体上表面气眼与溢流冒口数量少，上表面横向加强筋分布多。浇注过程中因为铸件表面结构复杂，砂型芯阻挡铁水正常充型，导致铁水对砂型芯的强烈热作用产生大量的气体在加强筋和拱形位置无法排出，尤其在浇注后期铁水温度低，流动性差，侵人性气体无法随溢流铁水排出，侵人铸件上表面形成气孔缺陷。3改进措施及验证3.1增加排气通道针对上表面横向拉筋多，凸轮轴拱形结构导致排气不通畅的问题，在凸轮轴上表面气孔缺陷位置增设溢流冒口，如图5a)所示，在机体上表面增加竖向加强筋和溢流冒口，如图5b)所示，改善充型过程中铁水流动性，促进气体通过竖向加强筋的引导作b）前端气孔图1 铸件气孔形貌特征及分布位置温度/1374134113081275122611941161b）温度场分析c）加强筋气孔a)5 sc)15 s图3 浇注系统与充型过程模拟图拱形位置高度8 mm图4机体表面结构特征示意图用排出，有助于裹气铁水通过溢流冒口全部排出3.2工装修改针对凸轮轴拱形结构深度8 mm的特性，对于表面凹坑处针对工装进行工艺补贴，保证机体在倾.13d）凸轮轴气孔b)10 sd)20 sFeb.2024No1a)溢流冒口图5机体上表面结构改进示意图a）凸轮轴上部贴片b）凸轮轴下部贴片图6 凸轮轴处增加工艺补贴示意图a）加强筋位置b）凸轮轴位置图7 改进效果图斜浇注时，凸轮轴拱形位置在工装修改后接近为平面，减少砂型对铁水阻挡作用，浇注过程中铁水沿砂型表面快速充型，铁水和气体能够上升顺畅并排出型腔，如图6 所示。3.3铸造工艺改进批量自动化产线生产模式，提升大型铸件生产效率，迫切的需要开发新的铸造工艺保证产品质铸造设备与工艺量。针对MAGMA铸造仿真温度场模拟分析结果，提升铁水的浇注温度为1 40 0 1 42 0，保证充型过程在铁水温度和流动性，促进气体排出。3.4效果验证铸造方案实施后，通过增设溢流冒口和竖向加b)竖向加强筋强筋有助于气体的排出，通过铁水温度的升高提高了浇注后期铁水流动性，目前该产品气孔缺陷问题得到有效解决，铸件上表面质量如图7 所示。4结论1）增加竖向加强筋和凸轮轴拱形结构工艺补贴，增加了排气通道和排气面积，同时升高浇注温度进一步提高铁水流动性，有助于气体上浮排出，2）解决气孔缺陷的问题，需要充分考虑铸件的结构特性和铁水固有特性等多方面影响，还应该考虑到发气量、排气面积以及浇注系统的影响，并通过增设溢流冒口等措施消除局部的排气不畅。参考文献：c）前后端位置1】张永青,齐建，秦鹏，等.大型直列柴油机机体气孔缺陷解决J.中国铸造装备与技术2 0 1 9,54(0 4)：45-48.2季境伟，单忠德，张帅.发动机缸体铸铁件浇注系统工艺设计规律研究 J.铸造，2 0 1 8,6 7(0 9)：8 41-8 45.3机械工业出版社铸造专业图书推荐 J.铸造设备与工艺,2 0 2 0(05):65-66.4任现伟.铸铁件气孔缺陷的原因分析与防止措施J】.现代铸铁,2 0 2 0,40(0 4)：51-55.5朱劲松，李天才.充型过程中铸造缺陷形成的原因及消除措施J.铸造技术,2 0 1 5,3 6(1 2)：3 0 2 7-3 0 2 9.2024年第1 期(上接第8 页）15min以内,以防止球化衰退（如果停留时间较长会促使石墨无限生长，甚至形成开花状或蠕虫状，使石墨级别达不到技术要求，导致铸件报废）。2）用红外测温仪进行测温浇注（浇注时应有专人进行挡渣），浇注温度为1 3 3 0 1 3 50，浇注时间控制在45s以内。3结论针对厚大风电球墨铸铁生产过程局部出现缩孔、疏松等缺陷，制定了局部设置冷铁、控制砂型硬度、制定合理的熔炼处理工艺、设计专用浇口盆等工艺改进措施，有效预防了公司自制风电QT400-18L球墨铸铁件缩孔、疏松缺陷的产生，提高了球墨14铸铁件的成品率，降低了成本，成功完成了4.2 MW前、后压盖等圆环类厚壁铸件的生产任务。同时，为以后公司生产风电用前后轴承座及刹车盘等其他大型风电球墨铸铁铸件积累了宝贵的经验。参考文献：1中国机械工程学会铸造学会.铸造手册M.第2 版.北京：机械工业出版社，2 0 0 3.2魏华胜.铸造工程基础 M.北京：机械工业出版社，2 0 0 2.2.3王文清，李魁盛.铸造工艺学【M北京：机械工业出版社，2002.10.4 陆文华.铸造合金及其熔炼 M.北京：机械工业出版社，2 0 0 2.8.5陈国桢.铸件缺陷和对策手册 M.北京：机械工业出版社，1996.