基于MAGMA解決博杜安柴油機(jī)主軸承蓋鑄造缺陷

孫玉成，姜愛龍，田普昌，劉慶義

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司制造工程部，山東濰坊 261061）

基于MAGMA解決博杜安柴油機(jī)主軸承蓋鑄造缺陷

孫玉成1，2，姜愛龍2，田普昌2，劉慶義1，2

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司制造工程部，山東濰坊 261061）

針對軸承蓋硬度分布不均、縮松縮孔等質(zhì)量問題，基于MAGMA鑄造CAE軟件對主軸承蓋的多種工藝方案進(jìn)行了對比分析計(jì)算，模擬對比不同方案的鑄件凝固順序及縮松縮孔缺陷分布，在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出最優(yōu)的工藝方案，最終獲得合格鑄件。

鑄造缺陷；CAE；軸承蓋；球墨鑄鐵

主軸承蓋是發(fā)動機(jī)中用來支撐曲軸的重要結(jié)構(gòu)零件，其與機(jī)體配合，在起到支撐曲軸的同時承受較大的交變沖擊載荷，鑄件毛坯不允許有焊補(bǔ)、夾雜、裂紋等表面缺陷和縮孔縮松等影響強(qiáng)度的內(nèi)部缺陷[1]?，F(xiàn)有博杜安M 26/M 33系列柴油機(jī)主軸承蓋，材質(zhì)為QT500-7，鑄件毛坯結(jié)構(gòu)如圖1所示，螺栓孔在兩側(cè)分布，圖示中心線為螺栓孔中心，孔直徑為25m m，孔中心與圖示前后面等距。鑄件主要壁厚為60m m，輪廓尺寸為230m m×155m m×60m m，采用潮模砂工藝，水平分型。

2 鑄造工藝及問題分析

2.1 鑄造工藝

初始鑄造工藝如圖2所示，一箱四件，每兩件共用一個普通冒口和一個加熱冒口，冷鐵分三個部位布置：1#冷鐵為環(huán)形，位于瓦口下方、隨形；2#冷鐵為半圓型，位于瓦口內(nèi)表面上型部分、隨形；3#冷鐵位于端部中間。軸承蓋鑄件主要化學(xué)成分如表1所示，澆注溫度為1 350℃，澆注時間約17 s.

圖1 主軸承蓋結(jié)構(gòu)

表1 軸承蓋的主要化學(xué)成分

2.2 缺陷問題

1）鑄件加工后螺栓孔位置存在批量縮松缺陷，如圖3a）所示。

圖2 初始鑄造工藝

2）軸承蓋主軸孔在精加工后存在不同程度的表面缺陷，加工質(zhì)量差，其宏觀、微觀形貌分別如圖3b）、圖4所示。

3）裝配拔緊過程中，螺栓孔位置有壓潰現(xiàn)象。

圖3 加工后鑄件的缺陷情況

圖4 主軸孔表面缺陷微觀形貌

2.3 問題分析

根據(jù)圖2初始鑄造工藝可知，螺栓孔處為內(nèi)澆口及冒口頸的連接位置，在鑄件澆注過程中會導(dǎo)致局部溫度過高、凝固速率較慢，最終導(dǎo)致局部硬度偏低，因而會造成壓潰現(xiàn)象。

根據(jù)圖4所示表面缺陷的微觀形貌可知缺陷僅存在表層，深度小于0.5 m m，可以排除鑄造縮松缺陷。結(jié)合圖2鑄造工藝情況，可以判斷造成該缺陷的原因是該位置放置的冷鐵導(dǎo)致局部激冷，造成表面硬度不均，機(jī)加工過程精度無法保證，即表面粗糙度不一致。

圖5 初始工藝縮松缺陷分布計(jì)算結(jié)果

圖5 所示為初始工藝條件下的縮松缺陷計(jì)算分析結(jié)果，在主螺栓位置偏離螺栓孔位置有明顯縮松。由于鑄件本身為球墨鑄鐵材質(zhì)，其具有糊狀凝固的特性[2]，凝固過程中的孤立區(qū)間（熱節(jié)區(qū)）在補(bǔ)縮不夠的情況下易形成縮松缺陷。軸承蓋中間具有凹坑結(jié)構(gòu)，即單個軸承蓋鑄件本身會形成至少兩個熱節(jié)區(qū)域，如圖5 a）所示虛線沿著凹坑中線將軸承蓋分割為兩個熱節(jié)區(qū)域；在不同的鑄件澆冒系統(tǒng)的作用下，兩個熱節(jié)將會分布在圖5所示圓圈區(qū)域[3]。鑄件受到冷鐵、冒口、澆注系統(tǒng)的綜合作用，最終形成縮松缺陷，如圖5 b）所示的縮松計(jì)算結(jié)果，縮松將在熱節(jié)區(qū)域形成。

2.4 解決思路

解決壓潰現(xiàn)象可以從兩方面著手解決：（1）整體提高材料的強(qiáng)度及硬度；（2）避免在主螺栓孔位置布置澆口及冒口。而要解決表面缺陷，需要避免在瓦口內(nèi)表面布置冷鐵。因此，剩下的問題難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)新的澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)和冷鐵工藝解決鑄件的縮松缺陷。同時，由于批量生產(chǎn)是利用已有生產(chǎn)線，因此需要在上下水平分型的工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，且不能增加過多成本。

為解決上述問題設(shè)計(jì)了多種工藝，采用M AGM A鑄造CAE軟件對相關(guān)的工藝進(jìn)行了分析與現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，以期找到最優(yōu)的解決方案。

3 新工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

3.1 新工藝設(shè)計(jì)

表2 新設(shè)計(jì)工藝方案對比

圖 6新設(shè)計(jì)工藝方案三維模型圖

3.2 新工藝方案結(jié)果對比

如圖7所示，方案（1）嘗試改變鐵水流入位置，避免螺栓孔位置硬度偏低的現(xiàn)象，但是計(jì)算結(jié)果表明鑄件內(nèi)部有不可消除的收縮缺陷。

圖7 方案（1）的縮松缺陷分布計(jì)算結(jié)果

圖8 方案（2）的縮松缺陷分布計(jì)算結(jié)果

如圖8所示，方案（2）在方案（1）的基礎(chǔ)上放置環(huán)形隨形冷鐵，嘗試改變鑄件的凝固順序，使最后凝固區(qū)域沿瓦口徑向朝遠(yuǎn)離冷鐵的位置移動，但因冷鐵尺寸受限，無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，鑄件內(nèi)部仍然有不可消除的收縮缺陷。

如圖9所示，方案（3）繼續(xù)完善方案（2），在端部中心增加冷鐵，目的同方案（2）一致，但通過計(jì)算分析，鑄件螺栓孔位置仍存在縮松缺陷。

圖9 方案（3）的縮松缺陷分布計(jì)算結(jié)果

如圖10所示，嘗試從端部中心澆注并實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，但為減少中心凹孔對補(bǔ)縮通道的阻礙，經(jīng)與設(shè)計(jì)人員溝通，將中心凹孔進(jìn)行填補(bǔ)，作為對比方案進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明原結(jié)構(gòu)縮松無法消除，但結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化后縮松傾向極小，即新結(jié)構(gòu)有利于鑄件的補(bǔ)縮，可以進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。

圖10 方案（4）與方案（5）的縮松缺陷分布計(jì)算結(jié)果

4 生產(chǎn)驗(yàn)證與討論

對計(jì)算的方案（5）進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)果表明鑄件縮松缺陷極小，且該處加工螺栓孔后即消失。因此該方案可行性極高。同時，為了保證鑄件硬度，建議采用新國標(biāo)的球墨鑄鐵材料標(biāo)準(zhǔn)，將軸承蓋材料由QT500-7改為QT550-5，從而提高產(chǎn)品硬度標(biāo)準(zhǔn)（QT500硬度標(biāo)準(zhǔn)為170-230 H B，QT550硬度標(biāo)準(zhǔn)為180-250 H B）[4]，實(shí)際生產(chǎn)后硬度滿足生產(chǎn)要求。最終驗(yàn)證結(jié)果如圖11、圖12所示，鑄件硬度達(dá)標(biāo)，內(nèi)部無縮松缺陷。

5 結(jié)論

1）收縮缺陷為球墨鑄鐵件的主要缺陷，需要綜合考慮鑄件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容，以達(dá)到成本、工藝的最佳組合。

2）布置冷鐵可以實(shí)現(xiàn)鑄件凝固順序的改變，但還應(yīng)考慮冷鐵的引入對鑄件硬度分布的改變作用以及對加工性能帶來的負(fù)面影響。

圖11 方案（5）的驗(yàn)證鑄件硬度結(jié)果

圖12 方案（5）鑄件加工鉆孔后的剖分結(jié)果

3）鑄造CAE技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)有工藝的缺陷分析，特別是常見的收縮缺陷，更具有參考價值，可以加快工藝驗(yàn)證周期，節(jié)省多種工藝的驗(yàn)證成本。

［1］柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編輯委員會．柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊［M］．北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984：831-845．

［2］中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊:第5卷:鑄造工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：20-24．

［3］中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊：第1卷:鑄鐵［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：60-61.

［4］GB/T 1348-2009.球墨鑄鐵件［S］．

Application of MAGMA on Solving Main Bearing Cap Defects of Baudouin Diesel Engine

SUN Yu-cheng1，2，JIANG Ai-long2，TIAN Pu-chang2，LIU Qing-yi1，2
（1.State Key Laboratory of Engine Reliability，Weifang Shandong Shandong 261061，China；2.Manufacture Engineering Department，Weichai Power CO.，LTD.，Weifang Shandong Shandong 261061，China）

For the casting defects of the uneven hardness distribution，shrinkage and porosity，MAGMA was used to compute and analyze some different process of main bearing cap and the solidification order of different part of the casting and shrinkage distribution.The structure of the bearing cap was improved in order to achieve the best casting process and the castings with good quality were obtained.

casting defects，CAE，bearing cap，ductile iron

TG241

A

1674-6694（2017）04-0030-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.011

2017-03-29

孫玉成（1982-），男，山東萊西人，工程師，主要研究方向：鑄造工藝及鑄造CAE技術(shù)、快速成型技術(shù)。

2016年度工信部智能制造專項(xiàng)（裝備復(fù)雜零部件個性化快速定制智能制造新模式）