缸套离心铸造模具设计的改进

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1 引言

大缸径湿式柴油机缸套(≥φ125)，通常采用单体铸造，按照传统的模具设计工艺，生产的毛坯较重，铸造成本较高，机加工余量大。因此，减轻铸造毛坯重量，从而减少机加工余量势在必行。

2 模具设计的改进(以某品种柴油机缸套φ130为例)

2.1 模具改进前和改进后的结构对比

 

2.1.1 改进前，模具内孔设计如图1所示，传统设计从模具的大端到小端为一斜线，这样的设计使涂料的涂挂性能较好，毛坯的冷却速度均匀，生产的毛坯大端和小端质量比较均匀。但由于设计时，斜度有限，不能太大(否则，涂料的涂挂性能差，造成废品)，所以生产的毛坯加工余量较大，如图3所示。

2.1.2 改进后，模具内孔设计如图2所示，在模具内孔面上从大端到小端有三个阶梯，因此，生产出毛坯外圆面也存在三个阶梯，同成品缸套的外圆面形状基本一致，这样，毛坯的加工余量和重量大为降低，如图4所示。

3 工艺改进

3.1 模具变更后，我们发现存在两个问题：

1 毛坯小端壁厚降低，浇注时，铁水的冷却速度加快，石墨形态达不到标准要求。 2 在毛坯的大端处，由于支撑肩以下阶差较大，铁水在凝固过程中的速度不同，容易在毛坯的内孔面产生缩松(如图5所示)。

3.2 工艺调整

通过实施二次孕育工艺和浇注工艺的调整，成功生产出合格产品。

3.2.1 二次孕育处理工艺，铁水浇注以前，在一定的条件下(如需要一定的过热温度，一定的化学成分，合适的加入方法等)向铁液中加入一定量的物质(称之为孕育剂)以改变铁液的凝固性能，改善铸态组织，从而达到提高性能为目的处理方法，称之孕育处理。

孕育处理的目的：促进石墨化，减少白口倾向；改善断面均匀性；控制石墨形态，减少D,E型共生石墨和铁素体的形成，以获得中等大小的A型石墨。

分析模具变更后，毛坯小端壁厚变薄，铁水的冷却速度加快，在凝固过程中，铁水过冷度(0 T)加大，由△T1向△T2、△T3转变(如图6)，石墨组织变小变细，由A型石墨向B 、D、E型石墨转变。另外由于浇注路线较长，一包铁水要浇注12台离心浇注机，浇注时间相对较长。显然，一次孕育处理已不能够满足质量要求。必须要实行二次孕育处理工艺，即在离心浇注机前的小浇注包内加入适量的孕育剂。这种处理方式(如图7)，从孕育剂熔化到浇注时间非常短，最大限度发挥了孕育剂的作用，减少孕育衰退，在实际生产中，对孕育剂的粒度和加入量的合理选择是成功的关键。

3.2.2 对离心浇注机浇注工艺的调整来消除缩松

缩松的形成原因是多种多样的，最根本的原因是：发生缩松部位的铁水凝固时，得不到补缩。浇注模具结构变更后，毛坯大端支撑肩处台阶由于毛坯的壁厚相差较大，铁水的凝固速度不同，壁薄处的铁水先凝固，造成后凝固的厚壁处铁水凝固时，得不到补缩，形成缩松。

所以，我们针对缩松形成的原因，经过反复的实验，采取以下的对策：提高离心浇注机的转速(N) ；适当延长离心浇注机的旋转时间(TI)；适当延长铁水从小浇注包到浇注机的浇注时间(T2)。通过计算，发现(N) .( T1) .( T2)和毛坯内径(D)存在数学对应关系。即：毛坯内径(D)和模具的转速(N)成一定的比例关系；同时和模具的旋转时间(TI)、浇注时间(T2)的关系如图8所示。当毛坯的内径为定值时，如果模具的实际转速低于如图8对应的模具理论上要求的转速时，就会产生缩松；同理，如果模具的实际旋转时间(T1)，浇注时间(T2)低于如图8对应的模具理论上要求的旋转时间(TI)，浇注时间(T2)时，也会产生缩松。

4 改进后的效果

4.1 改进前后的模具生产的毛坯，大端和小端处的金相组织对比对模具结构变更前后的模具生产的毛坯，进行了金相跟踪对比，大端和小端处的金相组织，基本上以中等大小的A型石墨为主，没有差别(图9,10,11,12,13)。

4.2　改进前后毛坯重量变化对比

模具改进前后，生产的毛坯见图14、图15，单体浇注的大缸径缸套，平均毛坯的重量降低23(表1)，成品铁水利用率达到60%，基本上达到砂型铸造的缸套毛坯铁水利用率水平。

4.3 改进前后毛坯的外圆面加工余量和时间对比

4.3.1　改进前，毛坯的加工余量平均值为5.5mm(图3)；改进后，毛坯的加工余量平均为2.5mm(图4)。可见，毛坯的外圆面加工余量减少54.5%。

4.3.2　机加工时间对比

模具改进后，生产的毛坯加工余量大为降低，粗外工序加工是缩短17%(表2)。

4.4 成本降低情况

改进后的缸套毛坯因壁厚变薄，重量降低，节约了铸造原材料。同时，由于加工余量减少，机加工的刀具磨损降低，使用寿命延长。以平均每只毛坯减重3.6纯,刀具可节约0.02元/只。自改进缸套投放市场，到目前为止，已有一年多的时间，共生产大缸径柴油机缸套约5万只。原材料和刀具共计节约61.4万元，降低了成本，提高了经济效益。

5 结束语

改进后的模具生产的毛坯，顺利通过了主机厂的材质检验，公司的制造成本大为降低，提高了市场占有率。