试析柴油机缸套内孔加工余量的控制

试析柴油机缸套内孔加工余量的控制摘要：在离心铸造柴油机缸套加工过程当中，由于内孔分层组织过厚会导致加工中产生余量不足的情况，缸套内孔表面在加工以后还会存在类似于“云斑”一样的缺陷。本文在分析各种对该缺陷的影响因素的基础之上，采用了几种有效措施来控制柴油机缸套内孔的加工余量，取得了明显的效果，满足了当前柴油机缸套的使用性能要求和技术要求。关键词：柴油机缸套内孔加工余量控制由于离心浇注铸件的结晶特点，在离心铸造缸套的生产过程中就会在缸套内层生成一类结晶异常的显微组织，形成异常分层结晶组织和化学成分的偏析，如果在缸套的内孔加工余量中不将这些结晶异常的分层组织去除的话，在离心铸造缸套加工以后就会因为这种结晶异常的显微组织而在缸套内孔形成偏析或者云斑等类型的铸造缺陷，这样不仅严重破坏了缸套壁厚组织的均匀性和连续性，还大大降低了离心铸造柴油机缸套的使用性能。在离心铸造合金耐磨铸铁中这样结晶异常的分层组织会表现的特别严重和明显。因此，选择合适的铸造工艺参数的在离心铸造柴油机缸套加工过程当中显得尤为重要。如果铸造工艺参数选择不当，则会加厚离心铸造柴油机缸套内孔异常结晶组织，这样加工过后就得不到组织均匀的高品质柴油机缸套。在离心铸造缸套的生产过程中通常会采用通过调节浇注速度、冷却速度、铸模砂衬厚度、浇注温度、孕育温度以及加工余量的选择等孕育方法和工艺参数，来降低离心铸造柴油机缸套内孔异常结晶组织厚度，控制柴油机缸套内孔加工余量来将缸套基体组织的等级提高，获得品质更高的柴油机缸套。一、柴油机气缸套初期生产条件及工艺参数以Cu-Cr-Mo合金和V-Cu合金耐磨铸铁材质柴油机气缸套生产加工为例，其生产技术要求细小片状珠光体本体金相组织，A型石墨分布均匀，铁素体体积分数要不大于3%，本体取样力学性能要求要至少220HB的硬度，至少260MPa的抗拉强度。合金耐磨铸铁材质柴油机气缸套内孔加工后的直径范围要控制在200mm~410mm之内，离心浇注铸件的质量控制在150kg~1060kg之间，缸套铸件壁厚最小值应当控制在40mm~60mm之间，缸套铸件壁厚最大值应当控制在60mm~100mm之间。熔炼炉选取的是酸性炉衬的3t无芯工频炉，选取四辊轮卧式离心浇注机来进行离心浇注，内浇口选取雨淋式。将砂衬厚度控制在15mm~18mm之间，控制缸套外表面加工余量范围为5mm~7mm之间，控制缸套内孔加工余量20mm~30mm之间，这个范围随着缸套质量和内径的增大而增大。严格控制柴油机气缸套的铸型转速保持在500r/min~800r/min之间，并且这个值随着缸套质量和内径的增大而减小。炉前孕育剂选择SrSi，并将孕育温度严格控制在1380℃~1400℃之间，浇注温度控制大约为1330℃，500kg以下的缸套铸件浇注速度一般控制在10kg/min~15kg/min，500kg以上的缸套铸件浇注速度一般控制在15kg/min~20kg/min，浇注完成以后，需要连续喷水来对铸型外表面进行冷却，时长大约是在20min~30min左右，缸套内孔温度要降至550℃~600℃左右即可，喷水冷却以后才能进行下机空冷。在柴油机气缸套初期生产过程中选取以上的工艺方法和参数进行加工，可能会有六成到八成以上的缸套内孔分层可能会表现出组织过厚的情况。大型缸套的分层组织厚度在30mm~40mm之间，小型缸套加工后分层组织的厚度在20mm~30mm之间，但是因为加工余量的不足，缸套内孔加工后还是会出现有类似于“云斑”一样的现象，尤其是靠近缸套壁较薄的一端表现的特别明显，这样加工出来的缸套就不得不大量的报废掉，浪费严重。二、缸套内孔分层组织及云斑形成原因分析2.1铸件剖面宏观形貌铸件剖面经过加工切片以后，会在切下的缸套环片上明显的发现两层沿壁厚。内层伴有疏松且颜色表现出灰白发亮，外层比较致密颜色表现为灰色。中间切片上呈现出同心分布较为规则的圆周分层线，而在两端切片上呈现出不规则分层。缸套中的端部内层的最大厚度一般都会大于中部内层的最大厚度，在缸套纵剖面上能看出分层线近似为平行于轴线的直线，两端虽然有所波动但中部呈现出比较平直的迹象。将环片打断可明显看出断口分为3层，外层断口组织细密颜色呈灰色，内层组织粗大并散布呈现出灰白色且伴有黑色斑点，中间层则是灰黑层。在机加工过程中由于分层的分界线不甚规则，往往加工面处于分界线附近时内外两层金属组织同时暴露，形成一些大小和形状不规则的、明暗相间的花斑，也就是我们所说的“云斑”，这样的“云斑”其实就是分层，但是分层并不一定就是以“云斑”的形式表现出来，当缸套两端的分层极不规则的时候，云斑”就更容易出现在缸套两端。2.2铸件剖面显微组织（1）石墨形态外层一般为分布比较均匀长度在50μm~300μm范围内的细片状石墨，内层一般为旋涡状和细片状石墨，前者为A型，后者为A+B型，有时石墨会呈现出菊花状。旋涡状石墨通常有一定的方向性，在空间上呈现出相互连接的枝状，这些旋涡状石墨要比片状石墨稍显短小。在内外层分界处会出现宽度在0.1mm~0.6mm内细小石墨流带，按圆周取向。A+B型石墨通常会出现在石墨流不明显的分层分界面上。在个别局部区域会出现旋涡状2个以上的分层的石墨流，E型石墨则很少出现。（2）基体组织和缺陷形态这种形态下的外层珠光体呈现出晶粒较细的片状，铁素体一般小于3%体积分数。内层则是铁素体和珠光体的混合体，前者的体积分数可能达到10%~20%，后者则表现的比较粗大。同内层相似分界层中也是铁素体和珠光体的混合体，但是铁素体数量较多，含量最高可到达40%~50%，且分散破碎，索氏体型珠光体分布在3mm~5mm内的缸套铸件外表面，可能含有10%以上铁素体含量。（3）缩松在分层线上不会出现缩松，但是整个内层都会有缩松现象，通常接近分界处或离分界区有一段距离。三、柴油机气缸套加工工艺改进措施通过多次调试和加工验证来对分层组织形成机理和影响因素进行分析，再适当调整合金耐磨铸铁缸套的离心铸造工艺方法和参数，采取增加铸型转速、加快外表面冷却速度、适当提高孕育温度、适当提高浇注速度和温度、加强孕育处理、以及减小砂衬厚度等措施让分层移动，具体改进措施如下。（1）孕育温度首先要将铸铁孕育温度提高到超过1440℃，熔炼温度提高至1530℃，熔炼温度提高至1530℃，并采用Sr-Si孕育剂进行炉前一次孕育处理，浇注过程中进行瞬间冲入二次孕育。这样做既能高缸套本体的石墨形态和金相组织，又保障了缸套本体获得A型石墨和细片状珠光体组织，缸套的抗拉强度和硬度都能得到有效提升。同时减小了柴油机气缸套分层组织厚度，使柴油机气缸套分层组织向柴油机气缸套内表面推移。（2）浇注温度为了提高缸套铁液在铸型中的过冷度，提高浇注温度至1380℃以上，来降低缸套分层组织厚度。这样有利于排出气体和夹渣，有利于熔化从雨淋浇口掉入铸型的残渣，“亮斑”缺陷被有效避免。（3）浇注速度500kg以下的缸套浇注速度提高到20kg/min~25kg/min；500kg以上的提高到25kg/min~30kg/min。这样有利于尽快充型铁液使凝固过程趋向于逐层凝固，建立高的温度梯度，同时“亮斑”缺陷被有效避免。（4）砂衬厚度分层组织厚度随着砂衬厚度的增大而增大，铁液冷却速度则相反。但是如果砂衬太薄就不易附着在铸型上，形成难以脱离的粘连，同时形成的影响了白口组织缸套的质量。将砂衬厚度减小至6mm~15mm，有利于调整缸套浇注后各部位的均衡凝固，减小分层组织厚度。冷却速度和铸型转速适当调整即可，不再赘述。四、生产验证结果通过对柴油机气缸套加工工艺改进和工艺参数调整以后，最终将柴油机大型缸套加工余量控制在20mm~25mm，小型缸套内孔加工余量控制在15mm~18mm。实际验证结果表明，基本消除了缸套内孔出现的云斑现象，保证了加工后的缸套本体金相组织97%以上的细片状珠光体体积分数，大部分呈现出A型石墨形态，只有少量的缸套呈现B型。将铸件综合报废率大幅减少，由原来的40%~60%到目前的3%~5%，机加工成本大幅降低，铸造半成品合格率大幅提高。缸套本体抗拉强度在260MPa~290MPa，硬度在230~270HB，符合缸套的技术要求，满足了缸套的使用性能。结论通过实际加工可以发现，离心浇注柴油机缸套铸件特殊的结晶凝固过程造成了不同的内外两层分成组织，宏观“云斑”一般都会出现在加工面位于分层的交界处，这是由于同时暴露了内外两层分成组织。这种出现“云斑”分层的缸套，由于其缺陷少且外层组织细密，符合对金相组织的要求，但是内层组织表现出来的缺陷较多，如果将内层组织控制在加工余量范围内，通过再加工将其切除，则也可以获得优质缸套。离心浇注柴油机缸套可以通过添加合金元素来增加其分层倾向，减小加工余量也可以通过采取增加铸型转速、加快外表面冷却速度、适当提高孕育温度、适当提高浇注速度和温度、加强孕育处理、以及减小砂衬厚度等措施让分层移动，以减小内层分层组织总厚度，从而能有效控制分层组织的加工余量。参考文献[1]秦国良,朱昌允,吴让利.离心压缩机叶轮分流叶片对性能的影响[J].压缩机技术.2011(01)[2]高颖,王自东,赵永龙,游龙,张伟,陈瑞峰.基于ProCAST软件叶轮离心铸造计算机模拟前处理[J].铸造技术.2011(05)[3]耿艳辉,秦国良.Chebyshev谱元法求解含吸收边界的二维均匀稳定流场的声传播[J].西安交通大学学报.2012(03)[4]朱昌允,秦国良,徐忠.Chebyshev谱元方法结合并行算法求解三维区域的Helmholtz方程[J].应用力学学报.2012(03)[5]张银川,刘宏亮.柴油机缸套离心铸造工艺改进[J].现代铸铁.2008(06)