毛永濤，厲運(yùn)杰，孫志揚(yáng)，杜紀(jì)柱，伍啟華，莊肅棟

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊261199）

氣缸體是高速柴油機(jī)中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、機(jī)械性能要求很高的鑄件，對(duì)鑄造工藝的要求比較高。本文對(duì)氣缸體鑄件在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的夾砂缺陷原因進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)措施。氣缸體鑄件造型線采用氣流預(yù)緊實(shí)加壓實(shí)造型，砂處理采用轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)、在線V ED I MAT型砂性能檢測(cè)控制儀、ASK180雙盤冷卻器，全系統(tǒng)采用中央PC控制，各種輔料采用電子秤定量自動(dòng)加入；舊砂回收系統(tǒng)采用3級(jí)磁選、2級(jí)滾筒破碎篩分，通過(guò)雙盤冷卻器對(duì)舊砂增濕、冷卻、預(yù)混。澆注系統(tǒng)采用底注與中注相結(jié)合。

1 夾砂缺陷原因分析

夾砂缺陷是鑄件生產(chǎn)中常見(jiàn)的一種表面缺陷，多產(chǎn)生于潮模砂鑄造時(shí)鑄件較大的表面。通過(guò)對(duì)夾砂缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，夾砂的廢品率高達(dá)1.90%，嚴(yán)重影響了鑄件質(zhì)量。氣缸體鑄件夾砂缺陷主要有兩大類，一類是出現(xiàn)在下箱的位置，如圖1所示，第二類出現(xiàn)在上箱處的位置，如圖2所示。

圖1 下箱位置處產(chǎn)生的夾砂

圖2 上箱位置處產(chǎn)生的夾砂

對(duì)于下箱位置處的夾砂缺陷，主要由于澆注系統(tǒng)中內(nèi)澆道口直接對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生夾砂的砂胎位置，造成夾砂部位在高溫金屬液的沖刷、擾動(dòng)、沸騰熱作用下，砂型表面急劇受熱，形成高濕度、低強(qiáng)度的凝聚層[1]，由于型砂的強(qiáng)度不能阻止膨脹砂層的橫向滑移，砂層表面發(fā)生分層和破裂，金屬液就有可能鉆入砂層形成夾砂。

對(duì)于上箱位置的夾砂缺陷，其產(chǎn)生的主要原因是由于澆注高溫液態(tài)金屬時(shí)，砂型的表面層受鐵水輻射傳熱，體積膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下，最可能的破壞方式是失穩(wěn)，所以?shī)A砂的力學(xué)實(shí)質(zhì)是薄板的受壓失穩(wěn)[2]，其產(chǎn)生過(guò)程是鑄型上表面受熱膨脹，受到周圍鑄型阻礙，內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)某一臨界值時(shí)，砂型表面失去水分形成干燥層，失穩(wěn)而彎曲，尺寸增大，干燥層宏觀膨脹量越大，失穩(wěn)拱起也就越大，在撓度大于水分飽和區(qū)可能產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量的區(qū)域，干燥層與水分凝聚區(qū)分離，熱應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生裂紋，干燥層斷開，產(chǎn)生夾砂。

2 夾砂缺陷解決措施

2.1 提高型砂熱濕拉強(qiáng)度及增大型砂退讓性

由于夾砂缺陷實(shí)際上是由于砂型與鐵水直接接觸使其表層的型砂失去水分，形成干燥層，干燥層受壓失穩(wěn)而產(chǎn)生，若垂直于干燥層方向的熱濕拉應(yīng)力（由水飽和凝聚區(qū)產(chǎn)生）作用于干燥層的剛性差的方向，則很小的熱濕拉應(yīng)力就能產(chǎn)生較大的抵抗失穩(wěn)的彎矩，增大熱濕拉強(qiáng)度可以減少鑄件的夾砂缺陷[3]，因此采用熱濕拉強(qiáng)度較高的優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土有利于降低夾砂缺陷。在型砂中當(dāng)煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.4%逐步降低到0.1%時(shí)，鑄件的夾砂缺陷明顯增多，這說(shuō)明降低型砂退讓性，夾砂缺陷將明顯增加[4]。

為此進(jìn)一步優(yōu)化砂處理工藝以降低鑄件的夾砂缺陷：

1）在每次生產(chǎn)時(shí)，6000kg砂型中比原來(lái)增加3kg膨潤(rùn)土，同時(shí)保證緊實(shí)率在36%以上；

2）在混制的型砂中發(fā)現(xiàn)有小砂塊及混不勻的現(xiàn)象，為減少混砂機(jī)圓盤出來(lái)大塊型砂，延后了粉塵加入時(shí)間，將18 s改為28 s；延長(zhǎng)了二次加水前的混砂時(shí)間，將69 s改為77 s；延長(zhǎng)了二次加水后的混砂時(shí)間，將133 s改為144 s；

3）增加舊砂的排除，新砂的加入，避免死灰含量過(guò)高及鮞化現(xiàn)象加重造成的型砂變脆；

4）增加煤粉的添加量，不僅可以提高型砂的退讓性，分散減少型砂膨脹時(shí)的力，同時(shí)煤粉受熱時(shí)的焦化性提高了型砂表層的抗拉強(qiáng)度。

通過(guò)以上砂處理優(yōu)化，型砂熱濕拉強(qiáng)度及退讓性均有了較大改善，改善結(jié)果見(jiàn)表1.

2.2 增加應(yīng)力釋放槽及防夾砂釘

當(dāng)濕型鑄造的鑄件為大平面，型砂膨脹率大，濕強(qiáng)度低，水份過(guò)多，透氣性差，鑄型排氣不良，鑄件的高水層強(qiáng)度低，以及由于鑄型表面干燥層膨脹而與鑄型本體分離開來(lái)，能自由地滑動(dòng)，而且臨界應(yīng)力與鑄型頂面尺寸的平方成反比，臨界壓應(yīng)力將隨鑄件尺寸的增大而急劇減小，所以具有大平板結(jié)構(gòu)的鑄件特別容易產(chǎn)生夾砂，同時(shí)尺寸越大，最大撓度越大，分層區(qū)域越大，鑄件易產(chǎn)生夾砂缺陷，因此解決大平面夾砂問(wèn)題就需要破壞大平面。通常在容易產(chǎn)生夾砂的大平面劃出應(yīng)力釋放筋或增加防夾砂釘。

應(yīng)力釋放筋的尺寸，會(huì)影響夾砂的預(yù)防效果，干燥層的厚度一般為5 mm～7 mm，而應(yīng)力釋放筋的厚度應(yīng)該超過(guò)干燥層，釋放筋的寬度應(yīng)盡量小[5]。為此，在下型夾砂位置增加寬度為5 mm，深度為8 mm的筋，如圖3所示，造型時(shí)在型砂表面形成網(wǎng)格切槽，分割了平面，增加型砂的退讓空間，同時(shí)還可以加強(qiáng)鑄型，減少夾砂缺陷的傾向。

對(duì)于上型位置的夾砂缺陷，采取了增加直徑為φ6 mm防夾砂釘，如圖4所示，同樣可以破壞夾砂平面，此種方法對(duì)于解決夾砂缺陷效果明顯。

圖3 應(yīng)力釋放筋

圖4 防夾砂釘

2.3 優(yōu)化澆注系統(tǒng)

圖5 原澆注系統(tǒng)

圖6 更改后澆注系統(tǒng)

表1 砂處理工藝調(diào)整前后型砂的性能對(duì)照

澆注工藝是否合理對(duì)鑄件產(chǎn)生夾砂類缺陷有很大的影響[6]。對(duì)于下箱位置的夾砂缺陷，通過(guò)對(duì)澆注系統(tǒng)與夾砂位置進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)第5瓦口的內(nèi)澆道直接對(duì)準(zhǔn)了產(chǎn)生起皮夾砂臍子的砂胎位置，如圖5所示，高溫鐵水注入時(shí)，對(duì)此處的砂型容易產(chǎn)生沖刷，特別是當(dāng)澆注速度較快時(shí)，對(duì)型砂的沖刷作用力更大，使砂型表面急劇受熱發(fā)生水分的遷移和體積膨脹，熱壓應(yīng)力超過(guò)水分飽和凝聚區(qū)的熱濕拉強(qiáng)度，砂型表面產(chǎn)生破裂，從而產(chǎn)生夾砂。為此，將5瓦口的靠近夾砂位置內(nèi)澆道去掉，如圖6所示，避免鐵液直接對(duì)準(zhǔn)臍子位置的砂胎，減小沖刷。更改后下型此位置的夾砂缺陷消失。

3 結(jié)論

根據(jù)上箱、下箱兩種不同位置處的夾砂缺陷產(chǎn)生原因的分析，采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

1）對(duì)于上箱位置處的夾砂缺陷，主要通過(guò)增加防夾砂釘措施，破壞夾砂位置的大平面，減小熱壓應(yīng)力；

2）對(duì)于下箱位置處的夾砂缺陷，主要是通過(guò)優(yōu)化澆注系統(tǒng)，避免內(nèi)澆道口直接對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生夾砂的砂胎位置，防止沖蝕夾砂，同時(shí)在夾砂位置增加合適尺寸的應(yīng)力釋放槽，使型砂表面形成網(wǎng)格切槽；

3）對(duì)于以上兩種位置的缺陷我們同時(shí)采取了提高膨潤(rùn)土、煤粉加入量，降低死灰含量，保證型砂混制的均勻性等工藝措施來(lái)提高型砂的熱濕拉強(qiáng)度及型砂的退讓性，從而提高型砂的抗夾砂能力；

通過(guò)此措施的實(shí)施氣缸體兩種位置的夾砂缺陷已經(jīng)全部消除。