摘要：利用热电偶测量缸体在砂型内保温的温度曲线，采用盲孔法测量缸体在砂型保温后的残余应力。结果表明，缸体在砂型内冷却至300℃以下开箱，残余应力值＜60MPa。该工艺方法操作简单、节能、环保，是绿色铸造的发展方向之一。
关键词：发动机缸体 砂型保温 温度曲线 盲孔法 残余应力。
1 前言
缸体是发动机的核心部件，其轮廓尺寸大，结构复杂，加工精度要求高。铸造过程中形成的残余应力将直接影响缸体的尺寸精度和使用性能，因此需采取必要的工艺措施来消除或降低缸体内的残余应力。去应力退火、砂型保温、震动失效是目前常用的几种去应力工艺[1-2]。
笔者公司为国外某知名企业生产一款大型船用柴油发动机缸体，其最大轮廓尺寸为4650*1330*1490mm，材质为EN1563-GJS-450-10U，最大壁厚120mm，最小壁厚15mm，铸件重量12.63T，年需求量40~50件；残余应力值要求＜60 MPa；针对该产品轮廓尺寸大、重量大、壁厚差异大、年需求量小的特点，制定了砂型保温去应力工艺；利用在砂型内预埋热电偶，记录铸件的温度曲线，实测缸体各点的残余应力值，根据温度曲线及残余应力值大小，确定铸件在砂型内保温的开箱温度及保温时间。
2 测量缸体在砂型内保温的温度曲线
2.1 设置测温设备
第1步 用高温补偿导线将热电偶与温度记录仪连接；
第2步 为保证测温设备及线路正常，将连接好的热电偶放入箱式电阻炉内升温、降温，观察温度记录仪显示温度有无异常。
第3步 制芯时，将热电偶埋入型砂内。高温补偿导线从砂芯芯头延伸出来。
2.2、测温数据采集与分析
接通电源后，铸型内任何时间段的温度变化都会通过热电偶、高温补偿导线传输至温度记录仪上，并存储下来。图1为砂型内铸件的温度曲线，图2为铸件在砂型内的降温速率。
从图-1可得出，高温铁液浇注至铸型后，5个测温点的温度瞬间上升至1000℃以上，铁液与砂型不断进行热交换，铁液快速降温、凝固，砂型快速升温。最终铸件与砂型形成一定的温度梯度，铸件将温度传递给砂型，砂型与大气进行热交换，铸件降温速率逐渐下降。
从图2可得出，铸件凝固初期，降温速率为60~70℃/h；铸件温度在900~700℃时，降温速率为20~30℃/h；铸件温度在600~500℃时，降温速率为10~20℃/h；铸件温度500~300℃时，降温速率为5~10℃；铸件温度＜300℃时，降温速率为3~5℃/h； 随着铸件保温时间的延长、铸件温度的降低，铸件在砂型内的降温速率越来越小，尤其是铸件温度在300℃以下的降温过程十分缓慢。故将铸件温度＜300℃设为铸件的开箱温度。从图-1可得出，从开始浇注到铸件温度＜300℃开箱，共历时183小时。
3、测量缸体的残余应力
3.1 测定材料应变释放系数A、B
制作2块与缸体同材质的标定试样，经消除应力后，再精加工。 对已粘贴应变花的标定试样，施加一个已知的单向应力场，应变片平行于外力方向，即最大主应力等于外加载荷引起的应力，钻盲孔，测量钻孔前后的释放应变。根据公式A=，B=计算A、B值[3]。测得材料应变释放系数：A= -3.0×10-7mm2/N，B= -6.9×10-7mm2/N。
3.2 测量残余应力
3.2.1 测试方法及设备
采用浅盲孔法测试残余应力；钻孔设备为ZS-1型三支点抽换式钻孔装置，钻孔直径为φ1.5mm，深度2mm；应力应变测试仪为TST9515动静态应变测试系统；应变花型号为BE120-2CA-K，灵敏系数2.23；
3.2.2 残余应力测试位置
检测位置位于发动机缸体的上下缸孔、凸轮轴孔、主轴承座、地脚面等关键部位，共5处。
3.2.3 测试结果
残余应力测量结果见表1，其中ε1、ε2、ε3分别对应应变花的0°、45°、90°方向的应变变化量，σ1和σ2分别为测点的第一和第二主应力。
4、结论
（1）该产品在砂型内保温183小时，型内温度＜300℃开箱，残余应力值＜60MPa。
（2）砂型保温去应力工艺的优点：替代燃气炉去应力退火，能降低能耗成本5000~8000元/件；简化铸件处理工序，操作简单；减少废气的排放，节能，环保，是绿色铸造的发展方向之一。
（3）砂型保温去应力工艺的缺点：由于铸件在砂型内保温时间较长，对工装、场地的占用时间长；故该工艺仅适用于单件、小批量产品。
参考文献：
[1]陈家权，邓晓丽，沈炜良，等. 柴油机缸体铸件的热时效处理[J].铸造，2003,52 ⑧：581-583.
[2]付学义，刘莉. 残余应力的危害及对策[J].包钢科技，2006,32（增刊）：82-84.
[3]徐颖强，李尊朝，余 杨. 浅盲孔法测量残余应力的分析.西北工业大学学报，1998,16（3）：382~386
论文作者:汪朝志
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第04期
论文发表时间:2019/7/9
标签：砂型论文; 应力论文; 铸件论文; 缸体论文; 温度论文; 残余论文; 应变论文; 《科学与技术》2019年第04期论文;