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1、大型柱塞式船用舵机油缸铸造工艺技术及改进王 刚，钱 维，汪恒辉（安庆中船柴油机有限公司，安徽安庆，246001）摘 要：针对大型柱塞式船用舵机油缸铸件结构和使用要求，分析了铸件铸造技术难点和需解决的关键问题，在总结原工艺生产中存在的问题的基础上，进一步优化改进了工艺措施和浇注系统设计，通过生产实践证明选择合理的铸造工艺方案及适宜的浇注系统设计，利用树脂砂造型，可生产出内部质量高、表面光洁好的高品质铸件。关键词：船用油缸；技术难点；铸造工艺；浇注系统设计。Foundry technology and improvement of large plunger type Marine steerin
2、g Gear cylinderWANG Gang，QIAN Wei，WANG Heng Hui（Anqing CSSC Diesel Engine Co., Ltd , Anqing 246001, Anhui, China）Abstract: Aiming at the structure and application requirements of large plunger type Marine steering gear cylinder casting, the technical difficulties and key problems to be solved are an
3、alyzed in this paper. On the basis of summarizing the problems existing in the production of the original process, the technological measures and the design of pouring system are further optimized and improved. Through production practice, it has been proved that high-quality castings with high inte
4、rnal quality and smooth surface can be produced by selecting reasonable casting technology and suitable casting system design and using resin sand molding. Key Words: Marine oil cylinder; Technical difficulties; Casting process; Gating system design.液压油缸作为船用舵机上将液压能转换为机械能的关键零部件，由于油缸处于高压工作状态，要求组织绝对致密，
5、铸件产品质量要求高，铸造难度较大。过去我们采用均衡凝固技术，使用无冒口和冷铁以及平做竖浇的铸造工艺，能基本实现铸件的内部致密性质量要求，但生产的铸件表面质量较差，严重影响外观质量和铸件品质。此次优化工艺改进技术，通过直浇道缓流设计和带泡沫陶瓷过滤网的开放式浇注系统的工艺方案，生产出的铸件表面光洁，轮廓尺寸精度较高，满足CT9级技术要求，铸件质量稳定。1 铸件结构特点和技术难点1.1 铸件结构特点和生产技术要求该油缸主体为圆筒类厚壁铸铁件，材质QT450-12，零件最大尺寸为6102257mm，H/b在24左右，主体上存在法兰、底板、板筋结构，铸件净重3220kg。液压油缸工作中需承受35.0M
6、Pa的压力，并在油缸底部承受舵角止推力，相当于1.5倍的力量，因此油缸必须有充分的强度、耐冲击性、韧性的要求。铸件去砂处理后需进行EN 12680-3 3级UT探伤，油缸主体和法兰、底板、板筋等结合部分进行MT或PT检查。油缸简图见图1.图1 舵机油缸结构图Fig.1 Structure drawing of steering gear cylinder1.2 技术难点及解决关键问题要保证材料各项力学性能符合要求，确保满足油缸高压使用要求和底部承受高止推力的能力。力求铸件壁厚均匀，表面质量光洁，毛坯尺寸精度控制在GB6414，CT9级规定，保证符合装配要求。同时在脚底板与油缸主体交接处和上端头
7、部大壁厚处均有热节存在，要采用工艺措施保证油缸加工前后均无缩松、缩孔、气孔、砂眼等铸造缺陷。2 铸造工艺方案的确定2.1 铸造方法选择舵机油缸属于厚大球墨铸铁件，故铸型材料选用呋喃树脂自硬型树脂砂，根据均衡凝固理论利用石墨化膨胀来消除缩松，满足铸型刚度强度和尺寸精度的要求。另铸件为大件，最大尺寸为6102257mm，且小批量生产，故采用手工造型，手工制芯；采用金属砂箱树脂砂造型，进一步保证刚度强度要求；模样采用木模，制作简单，周期短，成本低，投入少。2.2 分型面及浇注位置的选择油缸整体基本为圆筒形轴向对称结构，从模具制作简单、造型操作方便及铸件形状外观质量等方面考虑，将模具分型面选在过轴线，
8、采用两箱造型。同时因油缸为壁厚较大圆筒形，为保证铸件充型平稳和同时凝固，故采用平做竖浇方式，即在合箱紧固后将砂箱站立浇注。2.3 浇注系统、冒口及冷铁设计2.3.1 浇注系统针对油缸模具及造型实际，通过对底雨淋浇注系统的延伸，将底部雨淋形式改成缝隙，底注缝隙式金属液面由下至上抬升平稳，型腔内渣和气能顺利上浮并对泥芯冲刷小，结合球墨铸铁石墨化膨胀进行自补缩，底部缝隙式内浇口可在凝固膨胀前及时关闭。同时为了防止在浇注后期，由于铁液温度下降过快发生上端部补缩不足问题出现，故在油缸的上半部引入内浇道进行后期的铁液补充，实现均衡凝固温度场。油缸的浇注系统简图见图2.2.3.2 冒口及冷铁由于铸件模数在4
9、.5cm以上，同时由于采用呋喃树脂自硬砂造型的砂型刚度好，铸型可充分利用石墨化膨胀力，故不采用传统冒口补缩。但考虑到大号油缸由于金属液面上升时间长，易出现氧化渣，故在油缸上端放两只小冒口，仅作集渣用。采用半封闭式浇注系统，直浇道、横浇道和內浇道截面比1.5:2:1，浇系具有一定的挡渣能力的同时可适当减缓内浇道内铁液流速。在脚板与油缸主体布置冷铁，消除交接处热节；油缸小端部孔做出，用冷铁对端部进行激冷；油缸底部内圈布置冷铁，使此段组织更加致密；在需钻孔的方、圆搭子上方冷铁，确保钻孔后无缩松。油缸的冷铁布置简图见图3.直浇道上内浇道外冷铁布置缝隙式内浇道环形横浇道图2 油缸浇注系统示意图 图3 油
10、缸冷铁布置示意图Fig.2 Schematic diagram of cylinder pouring systemFig.3 Schematic diagram of cylinder chillers layout2.3.3 化学成分控制（见下表1）表1 油缸化学成分控制Tab.1 Cylinder chemical composition control项目CSiMnPSCu原铁水(%)3.70-3.801.50-1.600.20-0.300.070.006-0.0300.25-0.35目标值(%)3.751.550.250.070.006-0.0300.28预期终成分（%）3.5-3.
11、82.5-2.80.20-0.300.070.006-0.0300.25-0.353、试制结果及存在问题分析3.1 试制结果用该种工艺进行试制，生产出来的油缸力学性能合格，壁厚均匀，尺寸精度符合要求，内腔表面质量良好，表面及加工后均无缩松、缩孔，经泵压测试符合要求。但是铸件中下部内外表面出现较大面积的渣孔缺陷，颜色呈淡灰色，孔洞内壁毛糙，形状不规则，肉眼可看到的且面积较为分散，影响铸件外观质量和铸件品质。油缸外表面铸造渣眼缺陷见图4.3.2 存在问题分析通过Magma软件对浇注过程进行再次模拟分析。从充型模拟过程来看，铸件上部位置扁平内浇道从充型一开始就有铁水液冲入且充型速度较快（超过1.5m
12、/s），底部缝隙浇口处铁水充型速度同样过快（超过2.0m/s）。一方面上、下金属液充型速度过快产生紊流，顶部內浇道位置金属液由于位置高产生飞溅，形成氧化渣并随金属液旋转最后出现铸件的外表面；另一方面整个浇注系统压力头过高，横浇道为环形结构，虽为半封闭式，但整个浇系失去撇渣作用。经以上分析渣眼问题产生的主要原因有：1）整个浇注系统的设计不合理，整个金属液充型速度快，顶部浇口过早进入铁水，使得型内金属液飞溅、紊流产生氧化渣；2）浇注系统本身不具备撇渣能力；3）对铁水的熔炼控制要求较高，特别是残Mg量与氧化渣生成有直接关系。图4 油缸外表面渣眼缺陷Fig.4 Cylinder surface sla
13、g hole defect 图5 油缸浇注过程模拟Fig.5 Cylinder pouring process simulation4、工艺优化及效果验证4.1 方案优化从模拟的结果来看，单纯的依靠浇注系统的浇系比来控制铁水的冲型速度来说，已经不能切实满足实际需求了，浇注系统直浇道与底部横浇道的垂直落差过大使得金属液充型速度过大，优化的主要思路将放在怎样减缓铁水的充型速度上。主要采取以下措施来缓冲铁水充型速度：1）在直浇道处作缓冲结构，减少直浇道垂直压力头，降低金属液的流速；2）将浇系改为开放式，最大程度减小内浇口铁水出流速度；3）应用陶瓷片过滤技术，对进入型腔的铁水进行缓流并过滤铁液杂质。4
14、.2 具体实施方案将浇注系统改成开放式，直浇道、横浇道、內浇道各单元的截面比改为 1:2:3；在直浇道上部中间部设置拐弯以便减缓铁水流速；直浇道与横浇道间接入过滤片（6片，15015030mm/10ppi）；取消上端部引入的三道内浇道。4.3 优化后方案模拟对优化后的工艺方案用Magma模拟，模拟结果显示浇注充型过程十分平稳，充型速度稳定在0.5m/s左右，无紊流现象。改进后的工艺方案及浇注过程模拟见图6。陶瓷过滤设计片直浇道缓流设计图6 改进后的油缸工艺方案及浇注过程模拟Fig.6 Improved cylinder process scheme and casting process si
15、mulation4.4 生产验证经过优化后的过滤片工艺方案首件浇注开箱后检查，铸件毛坯表面质量得到大幅度提升，效果明显，消除了外表面渣眼问题；后续生产的几十只大型船用舵机油缸均没有问题。并在后续几百只系列油缸的生产上均获得验证（截止目前已累计生产超过800只），铸件外表面渣眼缺陷得到消除，铸件表面质量精良，工艺合格率近100%。图7 后续系列油缸工艺设计及生产实例Fig.7 Subsequent series of cylinder process design and production examples5、结论（1）船用舵机类油缸采用均衡凝固、无冒口加冷铁以及平做竖浇铸造工艺能稳定实现并
16、保证铸件的内部质量，油缸的各项性能均符合技术条件。（2）直浇道缓流设计、带泡沫陶瓷过滤网的开放式浇系设计能实现铸件的平稳充型，对保证铸件的内外部质量十分重要，能一定程度降低对铁水成分的熔炼控制要求，提高工艺适应性和稳定性。（3）该类油缸铸件的铸造工艺优化设计为后续类似结构铸件的工艺设计提供有力依据。参考文献：1 魏兵，袁森，张卫华.铸件均衡凝固技术及其应有M.北京：机械工业出版社，1998.2 中国机械工程学会铸造学会.铸造手册第五卷M.北京：机械工业出版社，2011.作者简介：王刚（1989-），男，工程师，在读硕士，主要从事船用柴油机铸件铸造工艺设计及优化。E-mail：wg 联系电话：18269712567 通讯地址：安徽省安庆市经济技术开发区3.9平方公里工业园