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摘要：油底壳类铸件是发动机重要零部件之一，是发动机上最大的深型腔、薄壁、大平面铸件。一般要求，能够承受0.1MPa的水压试验，铸件要求无缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷。由于油底壳裸露于发动机外表，所以油底壳类铸件表面质量要求也比较高。
关键词：大型油底壳；半金属型；铸造工艺
前言
油底壳是发动机的主要零部件之一。油底壳单件产品价格高、工序多、结构复杂、内部组织要求严格，生产难度大。经生产实践证明，通过合理设计铸造工艺，严格控制生产过程，可使油底壳合格率保持在95%以上。
1铸件工艺分析
该油底壳铸件为大平面薄壁板状结构，如图1所示。铸件外形结构为阶梯状敞口结构，第一阶梯高度110mm，第二阶梯高度300mm，长度1000mm，宽度340mm。热节大小为φ25～φ30mm，主要分布在安装法兰面两侧油标孔位置。综合订单数量及产品对外观及部分尺寸要求精度较高，只有采用金属型才能满足产品精度，同时可进行批量生产。
图1 油底壳铸件结构
1.1工艺方案确定
为确保生产出合格铸件，在材质选取及工艺设计时进行了以下多方面考虑。
（1）原有产品材质要求
为AC2B，主要化学成分：wS i＝5.0%～7.0%，wCu＝2.0%～4.0%，其余为Al。抗拉强度σb≥150MPa，伸长率≥1%，硬度≥70HBW。该合金属于亚共晶Al-Si-Cu系合金，属于宽结晶范围合金，倾向于体积凝固。其液态金属过冷度小，容易形成分散性的缩孔及热裂缺陷，不适于金属型重力铸造深型腔薄壁铸件。通过与客户沟通，最终选定材质AlSi10Mg，该材质主要化学成分：wS i＝9.0%～10.5%，wMg＝0.15%～0.4%，其余为Al。抗拉强度σb≥170MPa，伸长率≥4%，硬度≥62HBW，在满足原有材料力学性能情况下，材质接近共晶成分，结晶温度范围较窄，不含Cu，倾向于顺序凝固，液态凝固中体积收缩时，可以不断得到液体的补充，产生分散性缩松的倾向小，产生热裂倾向也小，更适宜薄壁零件生产。
（2）大平面薄壁板状结构
铸件使用金属型生产时极易产生缩裂、浇不足、气呛等缺陷。究其原因主要是因为：铝合金受阻收缩率达到0.8%～1.0%，长度方向尺寸变化大，而金属型在铸造时，由于铸型或型芯材料没有退让性，如果铸件凝固基本完成，此时应力大于合金抗拉强度而产生裂纹。由于金属型不像砂芯那样透气，在铸型形成气阻，使合金液体不能充满而造成浇不足或气呛。为解决此类问题，我们开创性地采用半金属型铸造，即外型采用金属型铸造，保证铸件精度及生产效率，内腔采用覆膜砂砂芯取代上模，利用砂芯的退让性和透气性解决大型薄壁板状结构铸件在金属型铸造中易出现的问题。
（3）为简化金属型并实现
顺序凝固的目的，采用顶注式浇注系统，考虑到铝液充型顺畅和铸件结构，决定从安装法兰面两短边引入浇道，安装面周边热节设置冒口。两游标孔通过设置带有补缩通道的小砂芯实现补缩。最终确定的工艺方案如图2所示。
图2 油底壳工艺方案
1.2工艺设计
（1）砂芯设计
该工艺过程复杂，砂芯间需要相互配合，尺寸精度要求高，如果长期大批量生产，模具、芯盒最好采用铝合金制造，以便保证质量和尺寸稳定。如果是单件小批量生产，考虑经济性，也可以采用木制模具。油底壳内腔由1#、2#、3#砂芯形成，油池外腔大头部位由4#、5#、6#砂芯围合而成，为起模方便，外侧起模斜度取3°，小头部位左右各下一块小芯7#、8#，中间隔板由上、下砂芯间隙形成。
为防止砂芯在搬运、组芯过程中损坏，可以在砂芯中放置芯骨，提高砂芯强度。由于油池处凸出，下芯过程中侧芯和大头芯的干涉，故将侧芯芯头尺寸加大，从侧面将侧芯推到位后，用型砂把砂芯后侧多余芯头部位填实并填平，防止跑火。为保证砂芯下芯后的精度，应制作下芯样板进行检查。
（2）浇注系统设计
a.浇注系统的类型。因为铸件尺寸大，底面为大平面，铸件主体各部位壁厚较薄，且铝液极易氧化和吸气，所以采用开放稳流式浇注系统，设计多道内浇道，以便使铝液大流量快速平稳充型，同时防止在充型过程中产生铝液溅起，卷入空气或形成氧化夹渣。
b.浇注系统的结构。根据铸件形状结构特点，为提高浇注撇渣稳流效果，保证铸件质量，所以采用带过滤网的搭接式双向横浇道结构。
c.浇注系统的尺寸。根据资料介绍以及多年的生产经验总结，确定浇注系统各部位的比例为：ΣF直：ΣF横：ΣF内=1：2：4。根据油底壳大小，内浇道在两侧对称分布，开设6～8道，避免局部型砂过热，从而使铝液能够顺利进入型腔，快速平稳充满型腔。该铸件的浇注重量为43kg，根据铸造技术资料和专业手册，选取直浇道端面面积ΣF直=1000mm2，直浇道直径为Φ35mm，由于铝液流程较长，铸件壁厚较薄，而且浇道内放置过滤网，为防止铸件产生冷隔、浇不足等铸造缺陷，将直浇道面积放大50%，则ΣF直=100mm×15mm=1500mm2，直浇道直径选取为Φ45mm。横浇道采用双向搭接式横浇道，梯形截面，截面形状和尺寸见图4。为减少内浇道部位砂型过热，防止铝液吸渣进入型腔，确保铝液充型平稳迅速，并保证铸件同时凝固，结合铸件结构特点，采用八道扁平梯形内浇口。每个内浇口的截面积为ΣF内=0.375ΣF直=0.375×1500=562.5mm2，内浇道长度选取为30mm。
（3）冒口设计
为了保证浇注过程中铸型内气体及熔渣的顺利排出和铸件小头端两侧厚大部位的补缩，在油底壳小端的两侧厚大部位处各加一个暗冒口，并且用Φ20mm的孔从上箱引出。为清理方便，采用楔形冒口，取热节圆Φ32mm的0.5倍即16mm为宽度，长度取铸件热节长度即80mm。为防止造型过程中，冒口位置的偏移，应使用定位销固定冒口的位置。
1.3模具的制作
模具需结构牢固、合理，尺寸形状稳定、不变形，且经济耐用、操作方便，因此在模具制作过程中应注意以下几点：
（1）芯盒内部加强筋和凸台等薄弱、易损部位，应采用局部加强措施，改用铝合金制作，镶入芯盒内；
（2）主体模具因尺寸较大，靠模、起模困难，应设置靠模、起模装置和加固装置；
（3）为防止芯盒外框在使用过程中松动，导致尺寸改变，应使用螺栓进行加固；
（4）为防止制芯过程中发生内浇口位置偏移现象，应在内浇口棒下端与芯盒接触部位设定位装置，可以采用定位销或在芯盒对应部位做出凹坑进行定位；
（5）根据生产经验，从确保铸件质量角度出发，选取油底壳大头端砂芯包围部位铸件皮厚尺寸公差5+1上限，即取6mm。
2工艺改进措施
按图2的方案进行小批量生产后，经检查发现铸件尺寸均符合精度要求且稳定，铸件无缩裂、浇不足等缺陷。但是在B面易出现铝液氧化夹渣，试压渗漏率高达70%以上。铸件内腔易出现气呛凹陷缺陷，影响产品外观。
通过分析认为，顶注式浇注系统充型不平稳，易引起冲击和飞溅，使铸件产生气孔和氧化夹渣等缺陷，不宜生产高度在200mm以上的铸件。同时由于覆膜砂透气性不足，不能及时逸出型腔内气体和覆膜砂砂芯受热时产生的气体，导致内腔表面出现气呛缺陷。为此采取以下针对性措施。
（1）由于半金属型铸造和顶注式浇注方式为最佳工艺方式，只有从浇注工艺上考虑改善氧化夹渣缺陷。通过分析铸件结构发现，A面浇注系统落差有110mm，B面浇注系统铝液落差有300mm，为此制订差步浇注法工艺即：先从A面内浇道浇注10～15s，使B面深腔铝液上升到120～150mm，再从B面和A面同时进行浇注，如此可以将B面浇注系统铝液落差降低到200mm以下，从而减少氧化夹渣倾向。
（2）更改砂芯结构，在覆膜砂芯盒上密集均匀地设置排气针，使得覆膜砂上均匀分布排气针孔，浇注时型腔气体和覆膜砂受热产生的气体一是通过排气针孔可以快速逸出，二是来不及逸出的气体也可以通过排气针孔聚集，解决了铸件内表面气呛问题。
实施后，铸件氧化夹渣现象得以消除，内腔气呛现象得到解决，铸件渗漏率降低到10%以下。但是由于排气针孔存在，内腔出现很多突起，需要人工打磨后经喷丸等表面处理予以消除。
3结语
（1）对于大平面薄壁板状结构铸件，采用金属型工艺生产时，应充分认识到由于铝合金凝固收缩时产生的热裂倾向并制订有效措施避免热裂现象发生，利用覆膜砂的退让性代替部分金属型型芯，可以有效解决此类问题。
（2）大平面薄壁板状结构铸件在材质选择上，应尽量选择接近共晶成分、结晶温度范围窄、倾向于顺序凝固以及热裂倾向小的材质，通过控制温度梯度，使铸件在凝固过程中能持续得到补缩。
（3）大平面薄壁板状结构铸件如果充型距离较长，采用双浇口或者多浇口是一种有效的防止冷隔的工艺方法。
（4）大平面薄壁板状结构铸件，凝固过程中易产生气呛缺陷，因此需要在模具设计时充分考虑型腔排气。
参考文献：
[1]于顺阳．现代铸造设计与生产实用新工艺、新技术、新标准[M]．北京：当代中国出版社，2004
[2]戴圣龙，中国机械工程学会铸造专业分会．铸造手册第三卷：铸造非铁合金[M]．北京：机械工业出版社，2011
[3]薛福连．大型复杂薄壁铝合金铸件的复合型铸造[J]．铸造技术，2006（10）
论文作者:胡宝军
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年12月下
论文发表时间:2016/9/21
标签：铸件论文; 薄壁论文; 结构论文; 工艺论文; 金属论文; 冒口论文; 浇口论文; 《建筑建材装饰》2015年12月下论文;