（机械工程专业论文）大功率三缸泥浆泵曲轴铸造工艺设计研究.pdf

摘要 摘要 三缸单作用往复泥浆泵广泛运用于地质勘探工作中。曲轴是往复泥浆泵的最主 要的关键传动部件，更是一个重要的安全部件，必须具有足够的刚度、疲劳强度才 能保证泥浆泵可靠运转。本文通过对国内外曲轴材质、毛坯加工技术现状及石家庄 煤矿机械有限责任公司曲轴铸造工艺进行了分析与研究，探索出了适合干模砂生产 条件的泥浆泵曲轴毛坯铸造的最佳工艺方案，试验生产出了强韧性能合理匹配、性 价比高的铸钢曲轴毛坯。 本文通过分析影响曲轴铸造质量的各种影响因素，阐述了铸造缺陷的形成机理。 根据顺序凝固理论按照模数法设计了明顶冒口对铸件进行凝固补缩，通过合理的设 计使用内外冷铁以减小铸件的热节，使曲轴形成自下而上的凝固顺序以减少冒口的 补缩压力。设计了曲轴铸件合理的浇注系统及浇注时间，降低了铸件形成夹砂、气 孔等铸造缺陷的倾向。设计了合理的防裂筋，减少了曲轴铸件凝固过程中热裂倾向。 通过对造型型砂、涂料配比工艺的设计与控制以及砂型烘干工艺的设计，减小了曲 轴铸件形成砂眼气孔等铸造缺陷的倾向。 曲轴材料为z g 4 0 m n b ，采用碱性电弧炉吹氧氧化法冶炼工艺。本文通过研究 z g 4 0 m n b 钢冶炼的配料、熔化期、氧化期、还原期等冶炼过程的控制，以保证钢的 冶炼质量。采用钢渣混出、镇静浇注的出钢浇注工艺。通过设计合理的浇注工艺规 程以确保冒口保持较高的温度和足够的钢液补缩铸件。 冒口采用热切割工艺，降低了曲轴铸件形成冷裂纹的倾向。曲轴铸件采用正火 处理，细化了内部组织，提高了强度。 本文通过对三缸泥浆泵曲轴铸造工艺的研究，确定了最佳铸造工艺方案、造型 工艺、冶炼工艺、清理工艺等工艺参数，解决了曲轴曲拐的缩孔和曲轴圆脖与中间 拐交叉处的裂纹关键技术难题，成品率由4 0 提高到9 7 ，取得了良好的经济和社 会效益。 关键词曲轴；铸造工艺；顺序凝固；z g 4 0 m n b 钢冶炼 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l r e e c y l i n d e rm u dp u r n pi sw i d e l yu s e di ng e 0 1 0 9 i c a lp r o s p e c t i n gw o r k 。c r a r 墩s h a f t i st h em o s ti m p o r t a n tk e yt r a i l s m i s s i o nc o m p o n e n t s ，a n di ti sa 1 1i m p o r t 舭ts a f e t y c o m p o n e n t s c 删咄s h 狃m u s th a v es u 伍c i e n ts t i f ：f h e s sa i l df 孤g u es 仃e n g t l li no r d e rt o e n s u r er e l i a b l eo p e r a t i o no fm u d b a s e do nm ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fm ed o m e s t i ca n d f o r e i g nc r a n k s h a rm a t e r i a l ，r o u 曲p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ys t a _ t u sa i l d 也ec a s t i n gp r o c e s so f s h i j i a z h u a n gc o a lm i m n gm a c h i n e r ) rc o ，l t d ，i no r d e rt od r a wm e b e s tc a s t i n gp r o c e s so f c r a n k s h a r ，s o 、v ec a i l p r o d u c e ac o s t - e f ! f e c t i v ec r a 耵k s h a rw h i c hh a st h eo p t i m a l c o m b i n a t i o no fs t r e n 舒ha i l dt o u g h b ya n a l y z i n gt h ev 撕o u sf 诎o r si n n u e n c i n gc a s t i n gq u a l i t ) ro f c r 撕k s h 世，也et h e s i s d e s c r i b e st h ef 0 眦a t i o nm e c h a n i s mo fc a s t i n gd e 传c t s d e s i g no fr i s e ru s i n gm o d u l i p r o g r e s s i v es o l i d m c a t i o nm e t h o dt of e e d i n gt h ec a s t i n g b yr a t i o n a ld e s i g nu s i n gi n t e m a l a n de x t e m a lc h i l lt or e d u c et h eh o ts p o t si nc 2 l s t i n g ， t h ec r a n k s h a rc a l lf o 姗ab o t t o m - u p 矗e e z i n gt or e d u c et h cf e e d i n gp r e s s u r eo f r i s e r t h er e a s o n a b l eg a t i n gs y s t e ma n dp o u d n g t i m eh a sb e e nd e s i g n e dt or e d u c e 也et e n d e n c i e so fc a s t i n gd e f e c t ss u c ha ss a n di n c l u s i o n a n db l o w h o l e b ys e t t i n gr e a u s o n a b l es “n k a g e 曲i n l p r 0 v et l l e r e s i s t a n c eo ft h e 皿a l c k l c k i n g b yd e s i g n i n gt h ep r o p o r t i o np r o c e s so fn l em o l d i n gs a n d ， c o a t i n ga n dd 巧i n g t e c h n i c st h ec 2 l s t i n gd e f e c t ss u c ha ss a i l di n c l u s i o na j l db l o w h o l ec a i lb er e d u c e d t h ec r a n k s h a rm a t e r i 2 l li sz g 4 0 m n b ，t l l es t e e l m a k i n gp r o c e s si so x i d a t i o n b l o w i n g i ne l e c t r i ca r cm m a c e b ys t u d y i n gt h ec 捌咄s h a 盘i 1 1 9 r e d i e m sz ( 抖o m n bs t e e ls m e l t i n g ， m e l t i n gp h a l s e ，o x i d a t i o np e r i o d ，s u c ha ss m e l t i n gr e d u c t i o np r o c e s so f c o n t r o l ，e n s u r et h e q u a l 时o fz g 4 0 m r 出s m e l t i n gm a t e r i a l t h es t e e l i st a p p e d 谢t 1 1s l a ga i l dp o l l r e d 啦e r t l l e s t e e “sk i l l e d r e a s o n a b l ep o 嘶n gp r o c e s sh a sb e e nd e s i g n e de 1 1 s u r et l l er i s e rt om a i n t a i na h i g he n o u g ht e m p e r a t u r ea n dl i q u i ds t e e lf e e d i n gt h ec a s t i n g d e s i g nt h e t h e n n a lc u t t i n gp r o c e s so fr i s e rt or e d u c et h et e n d e n c yo f c o l d c r a c k i n g t h ei n t e m a lo 唱a n i z a t i o no ft 王l ec r a n k s h a ai s m i i u l e da n dm ei n t e n s i t ) ri s i n c r e a s e dt 1 1 r o u g ht h en o 肌a l i z a t i o n t h r o u g hs t u d y i n gt h ec a s t i n gp r o c e s so f t h ep 啪pc r a m s h a r ，t h j ss u b j e c td e t e m i n e t h eb e s ts o l u t i o n ，m o l d i n gp r o c e s s ， s m e l t i n gt e c h n o l o g y ， c l e a nt e c h n o l o g ya n do t h e r t e c h n i c a ip a r a m e t e r s t h ek e yt e c h n i c a lc h a l l e n g e so fe l i m i n a t i n gt h es 肼m 沼g ea tt h e c r 砌( s h a rc r a l l k d i na j l dt h ec a s tc r a c ka tt h ei m e r s e c t i o no ft h en e c ka r nm i d d l ec r 甜墩p i n h a sb e e ns o l v e d t h ey i e l do fc a s t i n gc r a n k s h a rh a sb e e ni m p r 0 v e d 丘o m4 0 t o 9 7 g o o de c o n o m i ca n ds o c i a l6 e n e f i t sh a sb e e na c h i e v e d i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1问题的提出及研究的意义 1 1 1问题的提出 三缸单作用往复泥浆泵广泛运用于地质勘探工作中，泥浆泵由动力机带动曲轴 回转，曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动。在吸入和排出阀的 交替作用下，实现压送与循环冲洗液的目的。曲轴是往复泥浆泵的主要关键传动部 件，更是一个重要的安全部件，如图1 1 所示。曲轴承受的是扭转疲劳、弯曲疲劳小 能量多次冲击载荷。根据国内外对曲轴失效的大量分析来看，8 毗为疲劳断裂，但也 有因为耐磨性低导致使用寿命缩短，甚至造成早期的破坏【1 1 。为保证泥浆泵可靠运转， 曲轴必须具有足够的刚度、疲劳强度( 以弯曲疲劳强度为主) 。选择曲轴材料既要满 足技术性能要求、冷热加工的工艺性，又要求成本低、能耗低，而生产率高。按照 曲轴的工作条件，材料在通过强化处理后应具有优良的综合机械性能，高的强度和 韧性，高的疲劳抗力防止疲劳断裂以提高寿命【2j 。 圈卜l曲轴 f i g 1 1 c 捌 1 i 曲a 1 ；t 近年来，随着科学技术的发展，冶炼水平的提高，适应曲轴进一步提高机械性 能和加工性能的微合金和铸铁己相继出现，国内外曲轴材料有了新的发展和应用【3 j ， 一般采用中碳钢与合金钢，如3 5 c r m o a ，4 2 c r m o a 等。大功率的机械多采用综合机 械性能较高的锻钢曲轴，不过由于曲轴形状复杂，制造锻钢曲轴不仅需要消耗大量 的优质合金材料及加工工时，生产周期长，而且还需要大量投资的6 0 0 0 t 以上的热 锻压力机和3 0 0 0 t 以上的水压机，一般企业难以具备。而铸造曲轴具有成本低、抗 萝 、妒萝 少。 ，。塾雾 河北科技大学硕士学位论文 震力强、抗扭转疲劳强度高等优点，加工余量小加工方便生产周期短便于大批量生 产。 目前三缸往复式泥浆泵锻造或铸造曲轴的材料国内普遍采用3 5 c r m o a 、 4 2 c r m o a 、q t 7 0 0 - 2 、q t 8 0 0 2 等。但由于铬铁和钼铁在我国资源储量较少，价格较 高。z g 4 籼是铸造曲轴的另一种材料，此钢属于铸造低合金钢，化学成分要求见 表卜l 【4 1 。由于我国硼的资源丰富，因此价格相对低廉，硼可部分取代铸造低合金钢 中的贵金属( m 、c r 、m o ) ，且硼可大大提高铸件的淬透性睁n 。表卜2 为部分锻钢、 球墨铸铁和铸造合金钢曲轴材料的机械性能网。 表卜lz g 4 0 弛毋铸造低合金钢的化学成分 1 出1 一lc t l e 蒯哪p o ：盘i 砸o f 雠i o 弘a i 姊武e e l 烈猢啪 牌号抗拉强度睁a屈服强度佛，a延伸率占s ( ) 可以看出z g 4 0 m n b 材质的曲轴具有明显的性价比优势，目前曲轴的铸造工艺 以粘土砂、水玻璃砂、树脂砂等生产方式为主。 在生产中，如何防止铸钢曲轴铸件产生缩松、缩孔、热裂等铸造缺陷是确保生 产出合格铸件的关键。而缩松、缩孔是由于钢的熔点较高，结晶温度间隔较宽，收 缩量较大，在凝固过程中的体积变化引起的。 根据有关资料介绍【9 l ，碳钢的体积收缩率主要与钢的含碳量有关。碳增大钢的体 积收缩率，含碳量为o 4 的钢体积收缩率为1 1 3 。体积收缩包括液态收缩、凝固 收缩及固态收缩。固态收缩基本上只引起体积轮廓变化，而凝固收缩与液态收缩如 无足够的补给，则必然产生缩松缩孔。因此对铸钢件的顺序凝固过程进行控制是消 除铸件缩松缩孔的至关重要的工艺环节。 2 第l 章绪论 热裂是钢在固相线附近的温度下收缩变形受阻碍形成的，收缩变形受到阻碍后 产生应力，应力超过了金属在该温度下的强度或塑性极限，便产生裂纹。阻碍收缩 变形的因素主要有：砂型、砂芯退让性不良，浇注系统位置不当( 如离箱档太近等) ， 铸件结构不良及砂型导热不均匀使各部位凝固速度不一致等。因此如何采取加强冶 炼过程控制，造型时采取铸筋、冷铁及加大铸造圆角等工艺措施是控制铸件减小热 裂倾向的关键工艺环节。 本文研究的目的在于制订优化三缸泥浆泵曲轴铸造工艺方法，以生产出强韧性 能达到合理匹配、性价比高的铸钢曲轴毛坯。 1 1 2 研究的意义 ( 1 ) z g 4 0 m l l b 钢的市场价格大约比z g 3 5 c r 】o a 钢的市场价格低1 0 0 0 元，吨， 用z g 4 0 m f l b 钢代替z g 3 5 c m o a 等合金钢降低了生产成本；在满足设计标准强度的 前提下获取具有较高性价比的曲轴毛坯，将为石家庄煤矿机械有限责任公司( 以下 简称石煤机公司) 的三缸泥浆泵在激烈的市场竞争中增加优势。 ( 2 ) 石煤机公司铸钢生产线是干模粘土砂生产线，根据干模砂的特点制订出三 缸泥浆泵曲轴的稳定、成熟、可行性强的铸造工艺，缩短生产周期，提高铸件质量。 找到一种稳定、成熟、可行性强的铸造工艺，对于石煤机公司三缸泥浆泵的规模化 生产来说将解决一个技术瓶颈，将为石煤机公司大功率三缸泥浆泵规模化生产提供 可能。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 曲轴材料 曲轴的材料从最开始的合金钢发展到目前非调质钢和铸铁共存的状态。合金钢 必须经过调质热处理后才能达到设计要求的力学性能指标。调质热处理是淬火与高 温回火的组合热处理工艺。零件在调质热处理过程中，先经加热到一定的温度保温 一定的时间后淬火得到马氏体组织，然后经高温回火使马氏体发生分解转变，获得 最终使用态的金相组织为回火索氏体。这种组织具有强度与塑性、韧性良好配合【1 们。 随着铸造技术的不断提高，球墨铸铁的性能已经可以达到或者接近碳钢的水平， 加上球墨铸铁铸造毛坯的工艺和成本相比锻造有较大的优势，所以，球墨铸铁越来 越广泛的应用到曲轴的制造中来。球墨铸铁曲轴在乘用车和8 l 以下的柴油机上应用 比较广泛，德国排气量在2 0 0 0 删以下的柴油机中球墨铸铁曲轴约占5 0 ，排气量 1 5 0 0 i i d 以下的交通运输车的汽油发动机中球墨铸铁曲轴约占8 0 ，在美国汽车行业 中球墨铸铁曲轴约占8 0 。但是由于球墨铸铁材料本身性能以及热处理后硬度较低 等原因的影响，国内外高负荷大功率的柴油机还是利用碳钢来制造曲轴l l 。 国内曲轴材料多采用3 5 c m o a 、4 2 c r m o a 等铸钢、锻钢或q t 7 0 0 q t 8 0 0 2 等 3 河北科技大学硕士学位论文 球铁。日本曲轴材料主要有锻钢和微量合金钢，微量合金钢由于在模锻时可降低能 耗，并且不需要更换热处理车间的现有设备，被广泛采用【1 2 i 。原西德曲轴材料为c k 4 5 钢，具有较高的疲劳强度，现德国多采用4 9 m n 、附等微量合金钢，显著降低了曲轴 坯件机械性能的分散程度【1 3 l 。英国曲轴材料由需要淬火和回火的锰钼钢改为v 9 2 5 钢【1 4 1 。前苏联内燃机曲轴材料常用3 5 ( r ) 、5 0 ( r ) 等牌号钢或高强度球铁【1 5 】。 1 2 2 造型材料 国外按铸件相似原则进行大批量组线生产，具有高机械化、自动化程度，确保 下芯、合型精度。中大铸件普遍采用自硬砂工艺，混砂系统中头、尾砂质量稳定， 树脂加入控制精确，铸件在铸型中确保足够的冷却时间，降低铸造应力。在国外， 凸轴造型多采用壳形工艺，其中酚醛树脂砂热固化壳形工艺是比较成熟的一种，利 用该工艺及其配套设备可制取高强度的铸型壳，从而确保铸件具有高精度、较低的 表面粗糙度和致密的金相组织u 6 d 引。 国内小型曲轴普遍采用机械化、自动化生产线，但可靠性差、效率低。中大型 铸件震实造型、干模造型、自硬砂并用；混砂系统头、尾砂质量稳定性差；树脂加 入控制性低。 粘土型砂至今一直是砂型铸造使用的主要造型材料。据统计占所有铸件产量的 5 0 以上，在我国建国初期这个比例还要高得多幽l 。这是由于在自然界中粘土资源 丰富，价格低廉，粘土型砂的混制方便，砂型制造工艺简单，旧砂回用处理容易。 粘土砂型根据合箱和浇注时的状态不同可分成湿型、干型和表干型。较大型铸钢件 一般采用干型铸造。 水玻璃砂成本低，污染少，其高温韧性对于减少薄壁铸钢件的铸造裂纹缺陷是 十分有利的，因此在铸钢件的生产中应用较为普遍。近十多年来，我国的铸造技术 人员在水玻璃的基本组成、老化及改性方面的基础研究取得了较大的进展，新型酯 硬化工艺和c 0 2 复合硬化工艺的成功应用，使砂型( 芯) 砂中水玻璃加入量降低到 2 5 。3 5 ，从而使水玻璃砂的溃散性得到较为明显的改善，干法落砂成为可能【2 l l 。 如果能够将水玻璃砂的旧砂回用问题、提高脱模率和回收率问题进一步解决好，水 玻璃砂在铸钢件中的应用前景将会更好。 树脂自硬砂工艺已被许多铸铁、非铁合金和铸钢铸造厂广泛运用，已用树脂砂 生产形状复杂、尺寸精度要求很高、表面粗糙度值低、重达5 0 吨的大型水轮机转子 铸件；许多机床厂已用树脂砂生产出口机床铸件【2 2 】。我国现有成套的树脂自硬砂生 产线3 0 0 多条，已广泛应用于水泵、机床、机车车辆、阀门、船用柴油机等行业中。 但总体来看，目前树脂自硬砂工艺在我国铸件生产中被采用的比例还偏低。 4 第l 章绪论 1 2 3 工艺方案 国内外小型球铁铸造曲轴一般采用有冒口顺序补缩和硬模无冒口补缩铸造工艺 两种方式，铸钢曲轴采用顺序凝固补缩方式的铸造工艺。 国内某石油机械厂生产的f 系列钻井泵空心铸钢曲轴，铸造工艺采用平铸方式， 补缩冒口放置在较高位置的曲拐上，通过调整铸件芯子的形状使曲轴铸件的壁厚逐 渐变化，使曲轴形成向着冒口方向的补缩通道，从而实现冒口的顺序凝固补缩困，。 1 2 4 石煤机公司铸造曲轴的工艺现状 石煤机公司采用粘土干模砂造型，小型铸造曲轴一般采用z g 31 0 - 5 7 0 。熔炼设 备为1 5 吨三相碱性电弧炉。目前采用的铸造工艺如图1 - 2 所示。采用3 个冒口分别 对热节点进行补缩，用复杂的成型内冷铁减小冒口的补缩压力，浇注系统采用阶梯 式的浇注系统。 图卜2 曲轴铸造工艺图 f i g 1 2q 咖珥o c c s so f 她c r 锄k s h a f t ( 1 ) 铸造工艺存在的问题 明冒口与轴头的间隙较小，造型时操作较困难；由于衄轴形状带有空间三个方 5 河北科技大学硕士学位论文 向的角度，因此成型冷铁随曲轴形状的交化丽变化，制造过程很复杂，内冷铁的焊 制须在砂型内进行，作业难度大，两个电焊工焊制一套内冷铁需要6 小时时间，单 件生产尚可，若批量生产则效率太低。 ( 2 ) 曲轴铸件主要存在的铸造缺陷 粘砂由于钢水浇注温度较高，曲轴表面特别是中上部曲拐处出现严重的化 学粘砂现象，给铸件的清理带来了极大的困难。 缩孔由于浇冒口系统设计的不够合理，铸件在凝固收缩过程中得不到足够 的钢液来进行补缩，冒口切割冒口后在明冒口底部出现缩孔。 裂纹曲拐与圆脖交接处( 图1 2 中的a 、b 处) 出现热裂纹。为了清除曲拐 处的化学粘砂，用特制的氧炔焰割据对曲轴粘砂部位进行烧烤，铸件加工后在上部 曲拐及中部曲拐处出现多处冷裂纹。 化学成分不合格曲轴材料的化学成分特别是合金元素对曲轴的铸态组织及 性能有很大的影响，因此要严格控制曲轴材料的化学元素成分。实际操作中，由于 冶炼过程工艺操作技术不稳定，合金元素特别是磷、硫、硼三种元素的含量常常发 生超标现象，从而使铸件的裂纹倾向加大。因此必须采取严格的冶炼技术工艺措施， 确保曲轴材料的各化学元素成分含量在规格范围内。 由于以上问题致使大型三缸泥浆泵曲轴在产品试制过程中铸造缺陷很多，返修 返焊率很高。成品率只有4 0 。 由于成型内冷铁制作过程复杂，从丽限制了曲轴铸件的砂型生产效率，每天只 能浇注一根曲轴毛坯。由于浇注后的曲轴毛坯存在许多铸造缺陷，后期处理周期较 长，统计数据显示，生产一根曲轴铸件大约2 5 天，严重制约了泥浆泵整机的生产。 1 3 本文研究的主要内容及重点解决的关键问题 1 3 1本文研究的主要内容 本文主要对大功率三缸泥浆泵铸钢曲轴的造型、制芯、熔化、浇注和清理等工 艺进行设计和试验研究。重点对三缸泥浆泵铸钢曲轴铸造工艺进行以下研究。 ( 1 ) 铸件毛坯设计、补缩机理及浇冒口系统设计。 ( 2 ) 制型( 芯) 工艺设计。 ( 3 ) 冶炼工艺设计。 。 ( 4 ) 铸件清理及热处理工艺设计。 通过对上述的铸造工艺开展设计和试验研究，以达到干模砂生产三缸泥浆泵 z g 4 0 m l m 曲轴工艺在生产中应用和推广的目的。 1 3 2 本文重点解决的关键问题 ( 1 ) 曲轴顺序凝固过程的控制。钢水在凝固过程中产生的液态收缩、凝固收缩， 6 第l 章绪论 从而引起铸件内部出现缩松、缩孔铸造缺陷；对于曲轴铸件特别是主轴颈、连杆颈 及主轴颈连杆颈连接处，禁止出现内部缩松、缩孔等铸造缺陷，因此，为解决缩松、 缩孔铸造缺陷，必须设计合理的浇注系统、冒口补缩系统以确保钢水按工艺要求进 行顺序凝固，同时充分考虑砂型强度和厚度，合理设计铸件毛坯及浇注时的排气系 统等。 ( 2 ) 内外冷铁的合理使用。充分而合理的使用内外冷铁是确保铸件得到激冷、减 小热节、保证钢水顺序凝固、防止铸件出现内部缩松、缩孔铸造缺陷的关键。因此， 内外冷铁的使用工艺同样至关重要。 ( 3 ) 造型材料和涂料的合理选择。耐火度高的造型材料和涂料是确保砂型具有高 的耐火度从而减少铸件产生化学粘砂和机械粘砂等铸造缺陷前提和基础，因此合理 选择造型材料和涂料是本文要解决的关键闯题之一。 ( 4 ) 曲轴材料的化学成分控制。曲轴材料的化学成分硼元素的含量对材料性能有 很大影响，在铸造低合金钢中适量的硼元素可提高材料的淬透性；但硼元素的含量 稍大( 当w b o 0 0 2 5 后) ，钢中就会出现硼化物沿晶界析出( 即与奥氏体脱离共格 关系) ，严重损害钢的冲击韧性，造成钢的脆性增高。出现“硼脆，从而使铸件的 裂纹倾向加大【2 4 1 。为减少铸件裂纹，必须采取合理的冶炼工艺措施，严格控制硼元 素的含量。 ( 5 ) 钢水出炉温度和浇注温度的控制。浇注温度对铸件的收缩量有很大的影响， 浇注温度越高钢水的收缩量越大，从而铸件形成缩孔缩松的倾向越大。因此对于出 炉温度和浇注温度的控制也是至关重要的。 7 河北科技大学硕士学位论文 第2 章曲轴铸造缺陷分析及预防措施 2 1铸造曲轴的结构与标准要求 三缸泥浆泵曲轴长1 1 4 2 m m ，质量1 2 0 0 蚝，三个曲拐颈，直径为西4 6 0 n l i n ，连 接两个曲拐的轴颈为椭圆形断面，如图2 一l 。 2 一l曲轴零件示意图 f i g 2 lc 删呔s h a f t p a 如此l g r a m 曲轴设计要求，曲轴机械性能达到表l - 2 的要求，调质处理，硬度为2 4 0 2 8 0 皿s 。 检验性能试样为曲轴同炉浇注的试样。铸件不得有影响曲轴机械性能的裂纹、砂眼、 缩松等铸造缺陷。 2 2 曲轴铸件铸造质量的影响因素 针对粘土砂铸造工艺而言，影响曲轴铸件铸造质量的因素众多，本文采用关联 8 第2 章曲轴铸造缺陷分析及预防措施 图来分析了影响曲轴铸造质量的主要影响因素，如图2 2 。可以看出各种影响曲轴铸 造质量的因素最终所形成的铸造缺陷有裂纹( 分为热裂纹和冷裂纹) 、缩孔缩松、砂 眼及机械性能超标。 2 3曲轴铸造缺陷形成机理的分析及预防措施 针对粘土砂铸造工艺中各种铸造缺陷形成的原因及预防措施，本文从铸造工艺 角度进行了分析。 2 3 1裂纹形成的原因分析及预防措施 铸钢件裂纹缺陷根据其产生的原因可分为热裂纹和冷裂纹。 2 3 1 1产生热裂的原因、影晌因素与预防措施 铸钢件热裂产生的原因基本上有两个方面，即高温应力和液膜变形。 高温应力是钢在高温下收缩变形受阻碍而形成的瞄l 。铸件收缩变形受到阻碍后 产生应力，等应力超过金属在该温度下的强度或塑性极限时便产生裂纹。例如在 1 4 2 0 1 5 2 0 范围内钢的强度只有1 0 a 左右，断面收缩率仅有1 左右，阻碍造成 的应力很容易就超过此极限。阻碍的来源较多，主要有砂型退让性不良，浇冒系统 位置设计不当( 如离箱档太近等) ，铸件的设计结构不良及砂型导热不均匀致使铸件 各部位的凝固速度不一致等。 液膜变形是钢在结晶过程中的一种现象。钢液在凝固结晶过程中，晶粒之间会 产生液膜。随着凝固结晶过程的进行，液膜发生变形，变形速度和变形量若超过一 定极限后，便产生裂纹。铸钢处于半液态时，金属变形比较均匀，应力集中较小， 不易产生热裂。铸钢在高温固态时，金属塑性良好，也不容易产生热裂。只有在凝 固范围内，处于结晶液膜( 薄膜) 阶段，变形应力集中于薄膜，因而容易产生热裂。 热裂产生的温度范围在凝固过程中或者略低于固相线的温度( 约为1 2 0 m 1 4 5 0 ) 。 热裂的影响因素与预防措施 ( 1 ) 化学成分钢的化学成分中硫、磷是热裂的有害元素。磷与铁形成f e - p 共 晶，其熔点为1 0 5 0 。硫与铁形成f e s 共晶，其熔点为9 8 5 【2 6 l 。这些共晶物均是 低熔点的，它们降低了铸钢的高温强度和塑性，即产生热脆性。锰元素能够限制硫 的有害作用，可与硫形成硫化锰，其熔点比较高。一般在1 含量范围内，增加锰元 素含量可提高钢的抗热裂能力。 ( 2 ) 钢的线收缩线收缩越大，尤其是珠光体前收缩越大，形成热裂倾向越大【2 7 1 。 ( 3 ) 钢中的夹渣与偏析夹渣与偏析容易增加应力集中，从而增加热裂倾向。 h ) 钢的物理性能导热性好，表面张力大，高温机械性能好，能够减少热裂倾 向。钢中加入少量的钙、铬、钛、铈、钒及硼等，可提高表面张力，减少热裂倾向。 ( 5 ) 铸件结构铸件结构工艺性不良，如各断面壁厚相差悬殊，圆角太小，均 9 图2 2曲轴铸造质量影响因素关联图 f i g 2 - 2 f t o 幅a s 嫩i a t c d 埘t l im eq u a l 埘o f 她c m n k s i 龇蚰g 1 0 第2 章曲轴铸造缺陷分析及预防措施 可产生应力集中，从而导致裂纹。 ( 6 ) 钢水浇注温度浇注温度如果高于固相线太多，则固液问范围增大，铸件各 断面之间的温度梯度也随之增大，易于产生热裂。若浇注温度太低，则在钢液凝固 过程中，对于厚薄相差悬殊的铸件，液态金属将不易顺序地进行补缩，金属组织不 易致密，因而也易于产生热裂。所以一般来说，浇注温度不宜太高或太低，但温度 稍低些有利于减少铸件的热裂倾向。 ( 7 ) 铸件浇冒口浇冒口排列位置不适当( 如离箱档太近) ，尺寸不合适，可能 因其阻碍收缩而导致热裂。 ( 8 ) 砂型、砂芯的退让性砂型紧实度太高，或芯骨吃砂量太小，造成砂型( 芯) 退让性不良，阻碍铸件收缩，从而增加热裂倾向。 ( 9 ) 铸件冷却速度铸件在砂型中冷却太快，或者打箱时间过早在型外冷却速度 太快，均会造成较大的内应力，而增加热裂倾向。 ( 1 0 ) 切割浇冒口及热处理铸件受热速度或冷却速度太快，各部位温度过分不 均匀，容易造成过大的内应力，而导致热裂倾向。 2 3 1 2 产生冷裂纹的原因、影晌因素及预防措施 金属进入弹性状态以后所产生的裂纹称为冷裂纹。铸钢的冷裂纹产生于铸件冷 却过程中较低的温度范围，冷裂的主要原因是由于金属凝固和冷却过程中的残留应 力而造成的。这种应力常常因为外界条件( 如碰撞、剧冷或半边冷半边热、冷却速 度相差悬殊等) 的影响丽急剧上升( 2 8 】。 为防止冷裂，首先要控制打箱温度及冷却速度，最好是打箱温度高于冷裂温度 范围，并在打箱后立即将铸件装入炉中进行缓冷；其次对铸件进行退火或失效处理， 以消除应力。 2 3 2 缩孔、缩松形成的原因及预防措施 金属由液态变为固态时发生体积收缩，其中包括液态收缩、凝固收缩及固态收 缩。液态收缩凝固收缩如果无足够的补给，则必然产生缩孔。固态收缩基本上只引 起体积轮廓变化陋挪l 。 铸钢件的缩孔基本上是由于对顺序凝固过程控制不当而造成的【3 h 钔，其主要原 因有以下几种。 ， ( 1 ) 冒口的位置不合理； ( 2 ) 冒口补缩能力不足： ( 3 ) 冒口尺寸虽然满足了补缩要求，但补贴尺寸、位置设计不当； ( 4 ) 冒口高度过高，只补缩了它本身的下半部，铸件中仍有缩孔( 二次缩孔) ； 上部冒口与下部冒口之间串通，形成通道，上部冒口通过铸件对下部冒口进行了补 缩，而铸件却未得到有效补缩； l l 河北科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 钢水浇注温度过高，金属收缩量较大。 防止缩孔有以下方法： 在工艺方案设计方面，要严格掌握铸件凝固过程的各项原则。最好采用顺序凝 固，即确保铸件在凝固过程中，从冒口不断地得到钢液补充。有时根据铸件结构和 要求的具体情况，可采用同时凝固，使缩孔分散至几乎观察不到的程度。 在冒口、补贴及冷铁方面，正确设计与合理安排冒口、补贴及内外冷铁，确保 顺序凝固。 在浇注系统设计方面，顶注法比底注法更有利于顺序凝固。在浇注速度方面， 低速浇注比高速浇注更有利于铸件顺序凝固。 在浇注温度方面，温度太高会使金属收缩量增大，所以浇注温度稍低些较有利。 2 3 3 砂眼形成的原因及预防措施 通常讲的铸造砂眼缺陷按照形状特征可分为鼠尾、夹砂、及沟槽。三种铸造缺 陷均是由砂型型腔表面膨胀引起的。 2 3 3 1 砂眼形成的原因 ( 1 ) 鼠尾在铸件表面上出现较浅的( 深度最大达5 删n ) 带有锐角的凹痕，凹痕 内一般有型砂，常由浇口附近延伸出来，有时有分枝或交叉，该类型铸造缺陷一般 多发生在铸件的下表面。当金属液充满型腔后，如果液态的金属未能将下型表面由 于受热而翘起的砂层压平，就可形成鼠尾。 ( 2 ) 夹砂( 结疤)在铸件表面上有凸起的金属片状物，表面比较粗糙，边缘较 锐利，有一小部分和铸件的母体相连。片状物和铸件之间夹有砂层。在钢水浇注过 程中，砂型表面中的水分由于受热而发生内迁移，形成一强度较低的水分凝聚层， 砂型受热时，表层与里层膨胀不一致，层间应力急剧增加，促使砂型的表层脱离里 层而拱起；层间应力继续增大，拱起的表层破裂，从而液态金属进入砂层的背后， 在铸件的表面形成疤状的金属突起物，脱落的砂层被夹在金属疤状物中。 ( 3 ) 沟槽在铸件表面上有边缘光滑的v 型凹痕，一般带分枝，该类型铸造缺陷 多发生在铸件的上下表面。实际上沟槽是夹砂( 结疤) 的早期阶段，只是拱起的砂层未 断开，液态的金属未能进入砂层背后的空腔。 2 3 3 2 砂眼的预防措施 从减少砂型的膨胀力入手，在砂型中加入木屑、煤粉、重油、沥青等附加物， 使砂型在膨胀时有缓冲作用。 使用的型砂在满足各种要求的情况下尽量选用粒度粗一些的。 造型时，紧实度力求均匀，避免由于砂型局部的紧实度过大。 严格控制型砂的水分加入量，不宜过高。 在容易产生缺陷的砂型表面上插入铁钉来加固砂型，提高砂型的强度，避免砂 1 2 第2 章曲轴铸造缺陷分析及预防措施 型表面的剥落。 浇注温度要控制在合理的范围内，不宜过高，浇注时间要尽量缩短，使液态金 属能够快速而均匀地充满型腔。 提高砂型的透气性，特别是砂型的上型要多扎出气孔。 2 3 4 机械性能不合格的原因及预防措施 铸件机械性能不合格主要表现在的化学成分和强度、硬度、延伸率等指标不符 合技术条件的规定。主要的原因：铸件配料不正确，对各种元素的烧损量估计错误， 冶炼操作过程不当，炉况不正常。炉前取样不准确或炉前化学分析不正确、不及时。 铸造工艺和热处理工艺不正确。 预防措施：正确分析掌握配料的计算方法及元素的烧损量，特别是合金元素的 烧损量。重视金属炉料的除锈和预热。冶炼过程中炉前取样要规范及时。改进铸造 工艺和热处理工艺。 2 4 本章小结 。 本章研究了曲轴铸件的质量要求及影响曲轴铸造质量的各种主要因素。从工艺 方面分析了存在的裂纹、缩孔、砂眼等主要铸造缺陷的形成机理及预防措施。 河北科技大学硕士学位论文 第3 章曲轴铸造工艺分析与设计 根据干模粘土砂铸造工艺的特点，本文对曲轴铸件的生产工艺流程和铸造工艺 参数进行了分析与设计。 3 1 工艺方案设计 3 1 1 采用的主要工艺和设备 ( 1 ) 模具为木模，四箱造型，对于不宣起模的部分采用潮下砂芯或干下芯； ( 2 ) 采用冒口加内外冷铁激冷的铸造工艺； ( 3 ) 混砂：s 1 1 2 混砂机，用于型砂的混制； ( 4 ) 造型：手工造型； ( 5 ) 砂型烘干：5 0 m 3 天然气干燥窑； ( 6 ) 熔化：1 5 t 三相碱性电弧炉，采用氧化法炼钢工艺； ( 7 ) 浇注：钢渣混出，漏包浇注。 3 1 2曲轴铸件生产的工艺流程 曲轴铸件生产的主要工艺流程如图3 1 所示 3 _ l曲轴铸件生产流程图 f 嘻3 一lh 蝴硼蹦翳o f m e 觎m l 【出啦咖 3 2 铸造工艺参数选择与设计 三缸泥浆泵曲轴铸件设计见图3 2 。 为了尽量减少铸件在凝固收缩过程中产生内部缩松、缩孔缺陷，在充分考虑后 续机加工余量的前提下，曲轴铸件设计尽量减少铸件所放的余量，以使冒口实现对 铸件的最大限度的补缩，特别是应尽量减少曲轴中间和下部曲拐部位的厚度以利于 铸件的顺序凝固。根据以往铸件加工余量所放的经验结合曲轴的自身特点，曲轴从 中间拐向下部分加工余量留8 一l o m m 较为适宜。 采用粘土砂千型铸造工艺，四箱造型，分型面如图3 2 所示。n o 1 芯分为四块 1 4 第3 章曲轴铸造工艺分析与设计 图3 _ 2 曲轴铸件示意图 f i g 3 2d i a 孕孤o f 她锄m l 蛐幽g 潮下，2 芯干下，冒口补贴及防裂筋为活块。分型负数为31 1 1 l n ，铸造收缩率取 1 5 ，加工余量为l o 1 2 衄，两轴头毛料直径由于冷加工工艺顶尖孔的需要设计为 0 2 1 2 m m 。 冒口采用顶明冒口，冒口位于整个铸件的最高部位，这种方式浇注钢水的静压 力较高，有利于冒口对铸件在自下而上的顺序凝固过程中的液态收缩进行补缩。 由于曲轴具有多个分散的热节点，这种结构对于冒口充分补缩铸件的液态收缩 和凝固收缩是不利的，通过局部使用外冷铁激冷、热节部分使用内冷铁，可加快热 节部分的冷却速度，与冒口配合使用达到强化铸件方向性( 顺序) 凝固的条件，有 利于冒口补缩和扩大冒口补缩范围，同时提高铸件工艺出品率【3 5 1 。 浇注系统采用开放式顶注浇注系统l 娜7 l ，内浇道由冒口底部进入，金属液自由 下落，自下而上填充砂型型腔，形成了自下而上逐步升高的温度梯度，有利于铸件 的方向性( 顺序) 凝固和自补缩，也有利于项冒口的补缩。因此在同样补缩量的条 件下，顶冒口的尺寸可以较小p 引。 收缩筋的设置可以承受铸件凝固收缩时因受阻碍而产生的应力，从而防止铸件 产生热裂。 通过以上的分析，本文从以下几个方面进行铸造工艺参数选择与设计。 1 5 河北科技大学硕士学位论文 3 2 1冒口设计 冒口的尺寸按照模数法确定l 辨。根据曲轴铸件的结构特点，为了便于计算曲 轴的各部分的模数，可以将整个复杂形状的曲轴铸件简化为三部分简单的几何形状 的组合体。下部即曲轴铸件的下箱部分，其可简化为图3 3a ) 所示组合体形状；中部 即曲轴铸件的中下箱圆脖部分，其可简化为图3 3b ) 所示的圆柱体；上部即曲轴铸件 的上部曲拐和中部曲拐部分，其可简化为图3 3c ) 所示的圆柱体。根据简单几何形状 铸件模数的计算公式，分别计算出曲轴铸件上中下三部分的模数。 i a ) 曲轴铸件下部b ) 曲轴铸件中部c ) 曲轴铸件上部 图争3曲轴铸件各部分模数计算简化图 f i g 粥m 蚰gm 蛐0 f a l l 她p 8 r t s 曲轴铸件下部简化后的几何组合体的模数计算公式为： m = 者 ( 3 1 ) 式中 确件模数； a _ 组合体圆柱部分半径； 卜组合体总高度； r 组合体圆盘部分厚度。 由公式( 3 一1 ) 计算出曲轴铸件下部的模数m = 万高= 5 6 6 n u n 曲轴铸件中部和上部简化后的几何体的模数计算公式为： m = 等 ( 3 2 ) 式中m 二铸件模数： d 一圆柱体直径。 由公式( 3 2 ) 计算出曲轴铸件中部的模数施：掣：9 0 m m 1 6 第3 章 曲轴铸造工艺分析与设计 由公式( 3 2 ) 计算出曲轴铸件上部的模数尬；挈：1 2 5 m m 由以上各部分的模数可以看出，曲轴铸件自下而上的模数逐渐增大，这样能够 形成自下而上的自补缩条件。根据冒口补缩原理，即冒口要比铸件凝固得慢，这样 铸件才能得到良好的补缩效果，故冒口的模数应比铸件的模数略大一些。一般冒口 的模数可取：m - 可m 停 ( 3 3 ) 式中m r 一冒口模数； m 硝件模数： 厂一比例系数，根据铸件的重量取厂= 卜1 2 。由于三缸泥浆泵曲轴重量较大， 故f 取较大值：厂= 1 1 。 由公式( 3 3 ) 可计算出冒口模数 m - 讹= 1 1 1 2 5 = 1 3 7 5 m m 由公式( 3 - 2 ) 可计算出圆柱形明冒口直径 d - = 4 x m - = 4 1 3 7 5 = 5 5 0 m m 明冒口高度一般取日- = ( 1 1 5 1 8 ) d - ，由于三缸泥浆泵曲轴的重量较大， 为了使冒口补缩更安全可靠，取：日- = 1 4 d - ，故可计算出圆柱形明冒口高度 日t = 1 4 d - = 1 4 x5 5 伊- 7 7 0 m m 由圆柱形明冒口的直径和高度可计算出冒口重量 g 一叫导) 2 日- x 尸3 “滓) 2 x 7 7 0 m m x 7 8k g m 3 ：1 4 2 6 蚝 工艺出品率= 丽邕1 0 0 = 面赫t 0 0 = 5 明 根据有关资料f 4 2 1 和实践经验，铸件重量在5 0 1 5 0 0 0l 唔，主要壁厚大于1 0 0 m m 的铸件，在采用明冒口时其工艺出品率应在6 晰7 。根据以上计算结果，可知出品 率较低，说明冒口补缩的安全系数偏大。 在保证铸件质量的前提下，企业追求铸件的生产成本最低化，对铸件补缩冒口 进行重新的优化设计。 式( 3 3 ) 中f 取夸1 o 可计算出冒口模数 m 冒棚= 1 ox1 2 5 = 1 2 5 m m 。 由公式( 3 2 ) 可计算出圆柱形明冒口直径 ， d - = 4 x m 一= 4 x1 2 5 = 5 0 0 m m 圆柱形明冒口高度 日薯= 1 4 xd - = 1 4 x 5 0 0 = 7 0 0 m m 圆柱形明冒口重量 g - = 3 1 4 伴) 2 7 0 7 8 姆m 3 = 1 0 7 0k g 1 7 河北科技大学硕士学位论文 校核工艺出品率 工艺出品率= 雨老1 腓面5 8 从计算结果可知，出品率接近于6 0 ，曲轴的性价比较高，故本文铸件补缩冒 口采用优化后的冒口尺寸。 冒口位置。设在铸件项部，明管口尺寸为由5 0 0m m 7 0 0 m m ，冒口位置如图 3 4 所示，轴头的4 5 被包进冒口，在切割冒口时将轴头留出。 图3 4 冒口位置不恧图 f i 孚3