曲軸鐵模覆砂鑄造及其生產(chǎn)過程控制
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cnt888 發(fā)布時(shí)間：2011-03-10 14:21:31
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，其性能好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能和壽命。曲軸工作時(shí)承受著交變大負(fù)荷的彎矩、扭矩和沖擊，常見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(qiáng)度以及良好的耐磨損性能。特別是最近幾年渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的增多，對曲軸內(nèi)在質(zhì)量和毛坯精度及毛坯面的粗糙度提出了越來越高的要求。 
圖1 鐵型
鐵型覆砂鑄造是在隨型的鐵型內(nèi)腔（見圖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(xì)（一般為200目），因此可顯著提高鑄件的尺寸精度、致密性、表面質(zhì)量、晶粒的細(xì)化程度和球化率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造。 
圖2 鐵型覆砂
鐵模覆砂線的生產(chǎn)過程
鐵模覆砂線的生產(chǎn)工藝流程如圖3所示?，F(xiàn)在鐵模覆砂線的工藝布置有多種形式，以開式線形式布置居多。因?yàn)樗梢詽M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(xiàn)生產(chǎn)過程中鐵型移動(dòng)和鐵型推進(jìn)的機(jī)械化和自動(dòng)化控制。
1．覆砂造型
覆砂造型過程是鐵模覆砂鑄造的關(guān)鍵工序，它直接影響到生產(chǎn)的全過程和曲軸成品率的高低。最初的鐵模覆砂都是借用熱芯盒射芯機(jī)，機(jī)械化程度低?，F(xiàn)在國內(nèi)已有不少的鑄造機(jī)械廠家生產(chǎn)專用的鐵模覆砂設(shè)備，有的已可實(shí)現(xiàn)從合模到射完砂鐵型移出的全過程PLC觸摸屏全自動(dòng)控制。
（1）鐵型溫度
正常生產(chǎn)過程中鐵型溫度一般控制在230℃左右。過低時(shí)覆膜砂不能完全固化，殼型強(qiáng)度低且發(fā)氣量大；過高時(shí)型殼燒酥或是覆膜砂在流動(dòng)的過程中就已固化，破壞型殼強(qiáng)度易造成曲軸粘砂和夾砂。鐵型第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，這種方法新鐵型第一次生產(chǎn)時(shí)速度比較慢。正常生產(chǎn)過程可利用鐵型的余熱進(jìn)行覆砂，不需要單獨(dú)加熱。
圖3 鐵模覆砂線的生產(chǎn)工藝流程
（2）射砂
射砂是利用低壓壓縮空氣（0.4MPa）將流態(tài)覆膜砂吹入型腔的過程，射砂時(shí)間只有1～2s。在這個(gè)過程中主要有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是排氣，二是跑砂。
射砂過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(dāng)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(yīng)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(fèi)砂子、惡化工作環(huán)境，型腔射不實(shí)造成廢品，同時(shí)由于砂子流速太快極易給操作者造成人身傷害。現(xiàn)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(dāng)鐵型嚴(yán)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℃左右再開箱（一般澆注后15～20min開箱），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)越來越高，造成生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。因?yàn)樽匀焕鋮s太慢，如果為了加快鐵型冷卻速度而向鐵型上澆水，則極易造成鐵型開裂。目前國內(nèi)生產(chǎn)鐵模覆砂線的廠家還沒有生產(chǎn)鐵型冷卻專用設(shè)備。為解決鐵型冷卻問題，我們根據(jù)實(shí)際情況專門設(shè)計(jì)了一種冷卻裝置，如圖4、圖5所示。
圖4 鐵型冷卻裝置
噴嘴結(jié)構(gòu)如圖5所示。壓縮空氣進(jìn)入管子后，通過變徑套氣流速度加快，在銅管口形成更大的負(fù)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裂，提高了鐵型的使用壽命。同時(shí)，當(dāng)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，滿足了生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)的需要。 
圖5 鐵型冷卻裝置的噴嘴結(jié)構(gòu)
3．合箱
由于覆膜砂用酚醛樹脂做固化劑，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(shè)計(jì)排氣孔，通過射砂針距上型面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?yàn)殍T件冷卻快為獲得晶粒更細(xì)小、球化級別更高、表面質(zhì)量更好、機(jī)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
鐵模覆砂工藝因?yàn)?a >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極易形成夾渣和氣孔，同時(shí)也容易形成冷隔。因此，鐵模覆砂工藝生產(chǎn)要求有高溫、潔凈的鐵水?，F(xiàn)在因?yàn)榻固績r(jià)格的上漲，就熔煉成本方面中頻感應(yīng)電爐已不再比沖天爐高，同時(shí)中頻感應(yīng)電爐可以獲得化學(xué)成分穩(wěn)定、高溫潔凈的鐵水，又能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要，所以鐵模覆砂工藝鑄造曲軸最好用中頻感應(yīng)電爐熔煉。一般中頻感應(yīng)電爐熔煉的出爐溫度在1 500℃左右。
同樣因?yàn)殍F模覆砂工藝鑄件冷卻速度快，且中頻感應(yīng)電爐熔煉的鐵水過冷度大，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(dāng)量要比粘土砂造型工藝時(shí)高一些，常用的化學(xué)成分見表。 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(jié)，石墨的形態(tài)直接影響曲軸本體強(qiáng)度性能。現(xiàn)在國內(nèi)球化劑主要采用稀土鎂硅鐵復(fù)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(yīng)是否平穩(wěn)。因?yàn)殍F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，殘留稀土鎂不宜過高；原鐵水含硫量過高時(shí)可用多孔塞包進(jìn)行脫硫，然后再倒入電爐內(nèi)提溫。
3．孕育處理和澆注
由于鐵模覆砂工藝?yán)鋮s快和電爐鐵水過冷度大，造成鑄件在凝固過程中白口傾向大。因此必須對鐵水進(jìn)行充分的孕育處理。一般進(jìn)行兩次孕育處理：第一次在球化處理時(shí)在包內(nèi)放入0.2%～0.3%的硅鐵；第二次在澆注時(shí)采用加入量0.1%的隨流孕育，采用含鈣、鋇的復(fù)合高效孕育劑，它可以有效地增加石墨核心，細(xì)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?yàn)殍F水凝固快夾雜物難以上浮的緣故，一般在澆注系統(tǒng)中都放置過濾片。
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(xì)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65%～75% ，抗拉強(qiáng)度680～750N/mm2，延伸率4%～6%。在鐵水處理過程中加入0.5%～6%的Cu和微量的強(qiáng)烈促進(jìn)珠光體化的微量元素Sb；鐵模覆砂線連續(xù)機(jī)械化或自動(dòng)化的控制使開箱工作更加容易控制，當(dāng)鑄件溫度在860～900℃左右時(shí)開箱，然后將鑄件迅速轉(zhuǎn)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(jī)械性能QT800-3的球鐵曲軸毛坯。它不僅可改善清理車間的高溫環(huán)境，減少往返運(yùn)輸和一次清理，更重要的是它可以免去巨大的熱處理費(fèi)用，有效地降低生產(chǎn)成本。曲軸余熱正火輔合金化取代現(xiàn)在的正火熱處理已成為曲軸生產(chǎn)的必然發(fā)展趨勢。
鐵模覆砂曲軸鑄造簡化了粘土砂的工藝，克服了粘土砂固有的
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