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覆膜砂鑄造曲軸工藝過(guò)程
曲軸是發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵零部件之一,其性能好壞直接影響發(fā)動(dòng)機的使用性能和壽命。曲軸工作時(shí)承受著(zhù)交變大負 荷的彎矩、扭矩和沖擊,常見(jiàn)的失效形式為彎曲疲勞斷裂及軸頸磨損,因此要求曲軸材質(zhì)具有較高的剛性和疲勞強度以及良好的耐磨損性能。特別是近幾年渦輪增 壓發(fā)動(dòng)機應用的增多,對曲軸內在質(zhì)量和毛坯精度及毛坯面的粗糙度提出了越來(lái)越高的要求。
鐵型
覆膜砂鑄造是在隨型的鐵型內腔(見(jiàn)圖1)均勻覆上一層5~8mm熱固化型砂而形成鑄型的一種鑄造工藝 (見(jiàn)圖2)。由于鐵模覆砂鑄型剛度好且覆砂層比較薄,鑄件冷卻速度快,砂子粒度細(一般為200目),因此可顯著(zhù)提高鑄件的尺寸精度、致密性、表面質(zhì)量、 晶粒的細化程度和球化率,同時(shí)可實(shí)現無(wú)冒口鑄造。
鐵型覆砂
鐵模覆砂線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程
鐵模覆砂線(xiàn)的生產(chǎn)工藝流程如圖3所示?,F在鐵模覆砂線(xiàn)的工藝布置有多種形式,以開(kāi)式線(xiàn)形式布置居多。因為它可以滿(mǎn)足曲軸多品種生產(chǎn)冷卻時(shí)間不同的要求,同時(shí)可方便地實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程中鐵型移動(dòng)和鐵型推進(jìn)的機械化和自動(dòng)化控制。
1.覆膜砂造型
覆膜砂造型過(guò)程是鐵模覆砂鑄造的關(guān)鍵工序,它直接影響到生產(chǎn)的全過(guò)程和曲軸成品率的高低。開(kāi)始的鐵模覆砂都是借用熱芯盒射芯機,機械化程度低?,F在國內已有不少的鑄造機械廠(chǎng)家生產(chǎn)專(zhuān)用的鐵模覆砂設備,有的已可實(shí)現從合模到射完砂鐵型移出的全過(guò)程PLC觸摸屏全自動(dòng)控制。
(1)鐵型溫度
正常生產(chǎn)過(guò)程中鐵型溫度一般控制在230℃左右。過(guò)低時(shí)覆膜砂不能完全固化,殼型強度低且發(fā)氣量大;過(guò) 高時(shí)型殼燒酥或是覆膜砂在流動(dòng)的過(guò)程中就已固化,破壞型殼強度易造成曲軸粘砂和夾砂。鐵型*一次使用的加熱一般有兩種方法;一是把成批的鐵型放入芯子窯中 加熱,然后逐一進(jìn)行造型;二是逐一把涼鐵型合模后通過(guò)模樣和模板對鐵型進(jìn)行加熱(模板上裝有電熱管)進(jìn)行造型,這種方法新鐵型*一次生產(chǎn)時(shí)速度比較慢。正 常生產(chǎn)過(guò)程可利用鐵型的余熱進(jìn)行覆砂,不需要單獨加熱。
圖3 鐵模覆砂線(xiàn)的生產(chǎn)工藝流程
(2)射砂
射砂是射芯機利用低壓壓縮空氣(0.4MPa)將流態(tài)覆膜砂吹入型腔的過(guò)程,射砂時(shí)間只有1~2s。在這個(gè)過(guò)程中主要有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節:一是排氣,二是跑砂。
射砂過(guò)程在將覆膜砂射入的同時(shí)壓縮空氣也進(jìn)入型腔,如果鐵型排氣不暢勢必造成射不足、氣鼓等缺陷。常用的解決辦法是:①對于分型面附近的余氣,在模 板上做出四個(gè)高出模板0.1~0.2mm的凸臺,使模板和鐵型形成間隙排出余氣;②在個(gè)別的死角部位加排氣塞或在模板上刻出排氣槽將余氣排出。這兩個(gè)辦法 在實(shí)際生產(chǎn)中相當有效。
射砂時(shí)射砂頭上的射砂孔和鐵型的射砂孔對齊,射砂板的下平面與鐵型的上平面壓緊然后進(jìn)行射砂。但是在實(shí)際生產(chǎn)中由于鐵型鑄造加工后有應力變形、鐵型 不斷加熱冷卻產(chǎn)生變形及鐵型上表面的磕碰都會(huì )使射砂時(shí)鐵型上表面和射砂板下平面產(chǎn)生間隙,射砂時(shí)砂子從間隙中跑出。跑砂不僅浪費砂子、惡化工作環(huán)境,型腔 射不實(shí)造成廢品,同時(shí)由于砂子流速太快易給操作者造成人身傷害?,F在常用的辦法有:①在射砂板下表面鑲一高出平面5mm的硅膠墊;②把射砂板的射嘴做成 活動(dòng)可壓縮式,背面裝一壓縮彈簧。這樣都可以使射砂嘴與鐵型射砂孔四周緊密接觸避免跑砂。當鐵型嚴重變形時(shí)不僅鐵型上表面跑砂,而且鐵型下表面與型板產(chǎn)生 較大間隙跑砂,這時(shí)只能將鐵型上下兩面刨平后再用。
2.鐵型冷卻
在實(shí)際生產(chǎn)中為了保證生產(chǎn)效率,不可能將曲軸冷卻到230℃左右再開(kāi)箱(一般澆注后15~20min開(kāi)箱),由于覆砂層很薄,澆注后鐵型溫度急劇上 升,一個(gè)循環(huán)后的鐵型溫度在350~400℃左右,并且會(huì )越來(lái)越高,造成生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行。因為自然冷卻太慢,如果為了加快鐵型冷卻速度而向鐵型上澆水, 則易造成鐵型開(kāi)裂。目前國內生產(chǎn)鐵模覆砂線(xiàn)的廠(chǎng)家還沒(méi)有生產(chǎn)鐵型冷卻專(zhuān)用設備。為解決鐵型冷卻問(wèn)題,我們根據實(shí)際情況專(zhuān)門(mén)設計了一種冷卻裝置。
鐵型冷卻裝置
噴嘴結構如圖5所示。壓縮空氣進(jìn)入管子后,通過(guò)變徑套氣流速度加快,在銅管口形成更大的負壓。銅管另一端用氧氣管連接后放入水箱中的水中,銅管便有 水被吸出,高速氣流使水霧化,通過(guò)管口的錐形和下方的錐體使霧以錐的形狀噴向鐵型表面。這種冷卻裝置由于采用的是多頭霧化冷卻,因而使鐵型冷卻均勻,減少 了鐵型的變形和開(kāi)裂,提高了鐵型的使用壽命。同時(shí),當水霧噴灑到鐵型表面后,水在鐵型表面迅速形成一層高溫水蒸氣膜,壓縮空氣的高速氣流將高溫水蒸氣膜及 時(shí)吹走,加快了鐵型的冷卻速度,滿(mǎn)足了生產(chǎn)線(xiàn)連續生產(chǎn)的需要。
鐵型冷卻裝置的噴嘴結構
3.合箱
由于覆膜砂用酚醛樹(shù)脂做固化劑,因而型腔在澆入鐵水后會(huì )產(chǎn)生大量的氣體。如果不能把氣體及時(shí)排除勢必造成鑄件氣孔和澆不足的缸陷。為此,除了在上型 模樣設計排氣孔,通過(guò)射砂針距上型面5mm左右的覆砂排氣外,合箱時(shí)要在分型面的四角處墊0.5mm的鐵片,以便使分型面產(chǎn)生間隙排出氣體。
鐵水的熔煉、球化、孕育和澆注
鐵模覆砂工藝因為鑄件冷卻快為獲得晶粒更細小、球化級別更高、表面質(zhì)量更好、機械性能更好的鑄件提供了有利條件,但也對鐵水的熔煉、球化、孕育和澆注提出了更高的要求。
1.熔煉
覆膜砂鑄造工藝因為鑄件冷卻速度快,進(jìn)入型腔的鐵水中的夾雜物和氣體不容易浮出而易形成夾渣和氣孔,同時(shí)也容易形成冷隔。因此,覆膜砂鑄造工藝生 產(chǎn)要求有高溫、潔凈的鐵水?,F在因為焦炭?jì)r(jià)格的上漲,就熔煉成本方面中頻感應電爐已不再比沖天爐高,同時(shí)中頻感應電爐可以獲得化學(xué)成分穩定、高溫潔凈的鐵 水,又能滿(mǎn)足連續生產(chǎn)的需要,所以鐵模覆砂工藝鑄造曲軸用中頻感應電爐熔煉。一般中頻感應電爐熔煉的出爐溫度在1 500℃左右。
同樣因為覆膜砂鑄造工藝鑄件冷卻速度快,且中頻感應電爐熔煉的鐵水過(guò)冷度大,造成鑄件白口傾向大,鑄件冷卻后容易形成自由滲碳體。所以配料時(shí)碳硅當量要比粘土砂造型工藝時(shí)高一些,常用的化學(xué)成分見(jiàn)表。
鑄件配料化學(xué)成分
2.球化處理
球化處理是球鐵曲軸生產(chǎn)的重要環(huán)節,石墨的形態(tài)直接影響曲軸本體強度性能?,F在國內球化劑主要采用稀土鎂硅鐵復合球化劑,球化劑選用哪種牌號,主要 考慮吸收率的高低和反應是否平穩。因為鐵模覆砂工藝要求電爐鐵水出爐溫度較高,宜選用較低牌號的球化劑如FeSiMg8Rt3。為了減少硫和鎂作用形成的 二次渣,殘留稀土鎂不宜過(guò)高;原鐵水含硫量過(guò)高時(shí)可用多孔塞包進(jìn)行脫硫,然后再倒入電爐內提溫。
3.孕育處理和澆注
由于覆膜砂鑄造工藝冷卻快和電爐鐵水過(guò)冷度大,造成鑄件在凝固過(guò)程中白口傾向大。因此對鐵水進(jìn)行充分的孕育處理。一般進(jìn)行兩次孕育處理:第*次 在球化處理時(shí)在包內放入百分之零點(diǎn)二~百分之零點(diǎn)三的硅鐵;*二次在澆注時(shí)采用加入量百分之零點(diǎn)一的隨流孕育,采用含鈣、鋇的復合孕育劑,它可以有效地增加石墨核 心,細化晶粒,延緩孕育衰退時(shí)間。孕育劑的粒度一般為60目,不得長(cháng)期放置以免受潮和氧化。
澆注溫度一般在1 420℃左右,澆注時(shí)要注意擋渣。因為鐵水凝固快夾雜物難以上浮的緣故,一般在澆注系統中都放置過(guò)濾片。
曲軸余熱正火輔合金化
鑄件的快速凝固和中頻電爐高溫純凈的鐵水為鑄件晶粒細化、球化級別的提高提供了有利條件。在普通的生產(chǎn)條件下,珠光體含量一般在百分之六十五~百分之七十五,抗拉強度680~750N/mm2,延伸率4%~6%。在鐵水處理過(guò)程中加入0.5%~6%的Cu和微量的強烈促進(jìn)珠光體化的微量元素Sb;鐵模覆砂線(xiàn) 連續機械化或自動(dòng)化的控制使開(kāi)箱工作更加容易控制,當鑄件溫度在860~900℃左右時(shí)開(kāi)箱,然后將鑄件迅速轉入冷卻室進(jìn)行噴霧冷卻。這樣便可以得到珠光 體含量85%~90%,機械性能QT800-3的球鐵曲軸毛坯。它不僅可改善清理車(chē)間的高溫環(huán)境,減少往返運輸和一次清理,更重要的是它可以免去巨大的熱 處理費用,有效地降低生產(chǎn)成本。曲軸余熱正火輔合金化取代現在的正火熱處理已成為曲軸生產(chǎn)的必然發(fā)展趨勢。
結語(yǔ)
覆膜砂鑄造曲軸簡(jiǎn)化了粘土砂的工藝,克服了粘土砂固有的弱點(diǎn)(龐大的砂處理、臟亂差的工作環(huán)境及低的材質(zhì)性能),可實(shí)現連續可控的生產(chǎn),為高質(zhì)量曲軸生產(chǎn)實(shí)現機械化、自動(dòng)化提供了有利條件。這項先進(jìn)的工藝必將在鑄造生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應用。
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