12V柴油机气缸体裂纹缺陷的分析与解决.pdf

462023 年第 5 期铸件缺陷与预防12V 柴油机气缸体裂纹缺陷的分析与解决12V 气缸体用于大功率柴油发动机，铸件在粗加工时出现连续多台两侧维修窗口圆角处有裂纹，在加工前用探伤剂探测未发现裂纹，在粗加工过程中出现裂纹，严重影响新产品工艺开发进度。为此，结合产品的铸造工艺，从裂纹的特征出发，对裂纹产生的机理进行研究，采取对应的措施解决裂纹问题。1生产工艺12V 气缸体 V 型夹角为 90，铸件三维模型如图 1所示，铸件基本壁厚为 7 mm；重量 1 320 kg，最大轮廓尺寸为 1 380 mm1 020 mm700 mm；采用低法兰朝上，底面进铁的浇注方式，图 2 是浇注系统示意图。图 1 毛坯三维图Fig.1 Drawing of casting图 2 浇注系统Fig.2 Gating system制芯:芯砂 50100 目，缸孔芯采用三乙胺冷芯，树脂加入量为 1.3%1.5%；挺杆室芯采用 CUB 砂冷芯，树脂加入量 2.1%2.4%；水道芯、横浇道芯、端面芯、侧面芯用呋喃树脂自硬砂手工制芯，树脂加入量0.8%1.1%，固化剂加入量 25%55%（占树脂重量）；缸孔芯、挺杆室芯、水道芯用水基涂料浸涂，箱式烘干炉烘芯，砂芯水分小于 0.10%，横浇道芯、端面芯、侧面芯人工刷醇基涂料后点火烧干1。造型：型砂 50100 目再生砂，上下铸型用呋喃树脂自硬砂，树脂加入量 0.8%1.1%，固化剂加入量25%55%（占树脂重量），人工刷醇基涂料后点火烧干。熔炼：材质牌号为 HT300，采用 12 t 中频炉，配料为生铁 20%，回炉铁 40%，废钢 40%；出铁温度1 4501 470，浇注温度 1 3801 400；每型浇注时间 3545 s2。清理：浇注后大于 72 h 开箱，开箱后进行余热退王彩娟（广西玉柴船电动力有限公司，广西 玉林 537600）摘要：针对 12V 柴油机气缸体铸件侧面窗口产生裂纹缺陷进行分析，认为窗口芯头的实心结构造成铸件在冷却过程中收缩受到机械阻力，形成的拉应力是铸件开裂的主要原因，为此对窗口芯头进行掏空处理，砂芯壁厚按 30 mm 更改，组芯时芯头定制纤维垫进行封堵，使砂芯在浇注过程中受热后溃散速度加快，提高退让性，保证铸件收缩。采用改进后的措施生产验证，得到合格铸件。关键词：气缸体；裂纹；铸造应力中图分类号：TG251文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）05 0046 04收稿日期：2023-05-23修定日期：2023-07-07作者简介：王彩娟（1983-），女，工程师，主要从事柴油发动机整机新品项目管理和过程开发工作，E-mail:。2023 年第 5 期铸件缺陷与预防47火，粗抛后进行人工清理、精抛，之后进行铸件检查、防锈、入库。2裂纹缺陷如图 3 所示，粗加工后在毛坯的侧面窗口发现有多处裂纹，主要集中在 1/6、2/5 缸的窗口，靠近端面的1/6 缸窗口裂纹条数最多，每个窗口达到 2 条，2/5 缸窗口的裂纹数量至少每个窗口有 1 条。在加工前用渗透剂检查未发现裂纹，全部在进行粗加工后才发现。图 3 粗加工后侧面窗口裂纹位置图Fig.3 Crack location of side window after rough machining如图 4 所示，第 6 缸窗口的 2 处裂纹，裂纹呈现从窗口外边沿向铸件内部延伸的特征。图 5 为裂纹断口特征形貌：断口表面比较粗糙，表面有轻微铁锈，未见有氧化特征，检测本体强度和金相均满足产品技术要求。图 4 第 6 缸窗口裂纹形貌图Fig.4 Crack morphology of the 6th cylinder window图 5 裂纹断口特征形貌图Fig.5 Feature topography of crack fracture3裂纹产生原因分析从图 3 图 5 裂纹的位置和形貌可以推测：裂纹的形成由内因和外因两个因素共同作用而形成。内因是铸造过程产生的残余应力过大，但应力值未达到材料的强度极限，因此不会形成裂纹；外因是在加工过程中刀具对毛坯属于一种破坏行为，加工时在应力大的地方将形成裂纹源，并在加工过程中裂纹源在大内应力作用下发生扩展，最终形成宏观裂纹。3.1裂纹产生的内因如图 6 所示，6 个缸孔芯窗口芯头为实心结构，尺寸长 135 mm 宽 120 mm 高 30 mm,采用三乙胺冷芯砂制芯，制芯设备为 LB65 制芯机，砂芯的紧实度和强度高。浇注时铁液对芯头加热，树脂砂中的树脂分解温度在 400 左右3，芯头加热时，铸件中的铁液在降温和凝固，铸件在冷却过程中转入弹性状态。由于芯头的溃散速度比铸件的冷却速度慢，芯头的退让性差，铸件在冷却产生的变形会形成应力。图 6 缸孔芯侧面窗口芯头结构图Fig.6 Core head structure of cylinder hole core side window如图 7 所示，对窗口长度和高度两个方向受力进行编号分析，横向按从左向右顺序依次编号，纵向只分析一处受力情况，不需要编号。图 8 为窗口所受应力示意图，其中在横向受 6 个窗口芯头的阻力叠加影响，最靠两端 1、6 缸的窗口受阻力最大，方向相反；中间 3、4图 7 窗口各方向轴力编号图Fig.7 Window axial force No.in all directions482023 年第 5 期铸件缺陷与预防缸的窗口受阻力最小，同样方向相反；纵向同样受阻力影响，但阻力值相对长度方向小；两种拉应力最终综合作用在窗口的 4 个圆角处。（a）横向 （b）纵向图 8 轴力示意图Fig.8 Axial force diagram通过以上分析可知：窗口芯头的实心结构造成铸件在冷却过程中收缩受到机械阻力形成拉应力，这是铸件开裂的内因；每个窗口的 4 个圆角处受长向和高向两个方向的拉应力综合影响，其中 1、6 缸和 2、5 缸拉应力最大，这与铸件的实际裂纹数量和位置相符。3.2裂纹产生的外因铸件局部位置应力大，且是拉应力，在流转过程或加工过程中凡是加大拉应力的情况都会增加裂纹形成的风险。铸件在流转过程中如碰撞或吊运等对拉应力大位置造成损伤或加大应力值等操作都有可能形成裂纹源，导致裂纹发生。在粗加工时刀具对高应力位置实际是一种破坏，就像在绷紧的橡皮筋上划一个小缺口，相当于在高应力部位人为的制造出一个裂纹源。因此 12V 气缸体毛坯在加工过程中才出现裂纹缺陷，这是内外因素共同作用引起的结果，主要因素是内因，外因是加速裂纹的形成。4改进措施通过对裂纹形成的原因分析，裂纹问题的解决方向主要是减少内因的影响，即减少铸件裂纹位置的应力值。具体措施是：通过改善窗口芯头的退让性，在铸件收缩过程中加速芯头的溃散，不产生机械阻碍。图 9 为改进后的缸孔芯窗口芯头结构图，每个芯头都进行了掏空处理，并且芯头的砂芯壁厚按最薄 30 mm 来进行模具更改，组芯时芯头定制纤维垫进行封堵，预防铁液浸入掏空部位造成浪费。这样砂芯在浇注过程中受热后溃散速度加快，退让性好，不再阻碍铸件收缩。1-更改前2-更改后图 9 窗口芯头结构更改前后效果图Fig.9 Window core head structure changed before and after5生产验证从 2022 年 3 月份工艺更改后批量生产至 2023 年1 月份共生产 1 158 件毛坯，无窗口裂纹问题发生；经过将近 1 年时间的生产验证，窗口裂纹问题已彻底解决。参考文献1廉振文，郭全领.V 型气缸体铸造浇注系统设计分析及改善 J.铸造工程，2021，45（6）：28-33.2何春华.含 Ni 高强度灰铸铁的生产工艺 J.现代铸铁，2018，38（11）：11-13.3邵京城，吴敏，艾国，等.氧化剂对树脂砂溃散性的影响 J.铸造，2011，60（1）：70-72.Analysis and Solution of Crack Defects in 12V Diesel Engine Cylinder BlockWANG Caijuan(Guangxi Yuchai Ship Electric Power Co.,Ltd.,Yulin 537600,Guangxi China)2023 年第 5 期铸件缺陷与预防49Abstract:The crack defects in the blank side window of cylinder block of 12V diesel engine were analyzed.It was considered that the solid structure of the window core head causes the shrinkage of castings to be subjected to mechanical resistance during cooling,and the tensile stress was the main reason for the crack of castings.The improvement measures were to hollow out the window core,change the mold according to 30 mm wall thickness of the sand core,and customize the fiber pad to seal the core head when assembling the core.The improvement measures will accelerate the heat dissipation rate of the sand core after being heated during the pouring process,improve the yield and ensure the shrinkage of the casting.The improved measures were adopted to produce and verify the qualified castings.Key words:cylinder block;crack;casting stress（编辑：杨杨，；编审：范金辉，）关于 14 项团体标准复审评议结论的公告按照中国铸造协会标准管理办法，对标龄 4 年以上的团体标准进行了梳理。其中 风电用球墨铸铁件订货技术条件等 10 项标准继续有效，铸铁 第 1 部分：材料和性能设计等 4 项标准予以修订。特此公告。附件：14 项团体标准复审评议结论汇总表14 项团体标准复审评议结论汇总表序号标准名称标准编号复审结论1铸铁 第 1 部分：材料和性能设计T/CFA 010602.2.1-2018修订2铸铁 第 2 部分：焊接T/CFA 010602.2.2-2018修订3金属材料三体磨料磨损试验方法T/CFA 010604.6-2018继续有效4挖掘机 铸造斗齿 技术条件T/CFA 02010204.7-2018继续有效5质量管理体系 铸造企业认证要求T/CFA 0303.1-2017继续有效6风电用球墨铸铁件订货技术条件T/CFA 02010124.1-2018继续有效7铸造用纸质浇道管、浇口杯T/CFA 02020203.1-2019继续有效8水冷金属型离心球墨铸铁管用管模粉T/CFA 020208031-2019继续有效9离心球墨铸铁管管模通用技术条件T/CFA 0203111-2019修订10铸造用工业硅溶胶T/CFA 020202072-2019继续有效11铸造生产用起重机械 安全技术管理规范T/CFA 0312021-2019继续有效12铸造企业规范条件T/CFA 0310021-2019修订13耐磨损铸造管子和管件 技术条件T/CFA 020102048-2019继续有效14铝合金挤压铸造件T/CFA 0102031-2019继续有效（来源：中铸协，链接：http:/