（机械工程专业论文）大功率柴油机曲轴树脂砂铸造工艺的研究.pdf

上程硕士学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂工艺的研究 摘要 本文同顾，r 树脂砂发展过程，对呋喃树脂自硬砂进行了试验，确定了曲轴型芯砂 工艺；应用m a g y i a 软件，模拟分析了曲轴树脂砂铸造铁水充型与凝固过程，曲轴凝潮 可分为四个阶段：第一阶段，初生石墨球独立在过冷铁水中生核长大；第二阶段，奥 氏体枝晶生长直到互相接触，形成骨架；第三阶段，共晶石墨化大罱开始，奥氏体枝 晶停止长大；第四阶段，大量石墨球长火，杆墨球膨胀到表面奥氏体壳，一部分膨胀 力推动晶问液体向内流动，补缩奥氏体枝晶骨架，使缩松孔洞减少，喑b 分膨胀力通 过表面奥氏体壳推动铸型向外移动，使型腔扩大。宏观缩松产生于凝固中期，显微缩 松产：生于凝固末期，共晶石墨化有利于消除缩松，铸型刚度高有利于减少缩松缺陷。 采用提高铸型刚度与冷铁工艺解决球铁曲轴产：生缩松缺陷；分析了铸型刚度、化学成 分、冷铁工艺等对球铁曲轴产生缩松的影响，优化曲轴树脂砂铸造工艺参数；提 保 证铸型刚度、合理设计优化冷铁工艺是解决街轴缩松的有效措施。采用锆英粉涂料解 决曲轴表面与中心孔粘砂问题：自行设计制造了大型曲轴振实脱模造型机，实现了曲 轴树脂砂工艺批量转产。曲轴的化学成分，金相组织和各项机械性能符合产品技术要 求；其中尺寸公差达到g b 6 4 1 48 6 中的c t 8 一c t 9 ，金相组织中石墨的球化率达到2 3 级。实现年产6 5 0 根曲轴，使_ 1 ：艺与装备达到九十年代世界先进水平。使大连机车 厂成为国内产量最大机械化程度最高的球铁曲轴生产基地。 关键词：树脂自硬砂曲轴缩松造型工艺 第1 页 工程硕 ：学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂【：艺的研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sl o o k e db a c kr e s i ns a n dd e v e l o p m e n tc o u r s e ，f un a nr e s i n ，e s t ，h a v ed e t e r m i n e dm o u l da n dc o r es a n dt e c h n o l o g yi nc r a n k s h a f tc a s t i n g ： a p p l ym a g m as o f t w a r e ，s i m u l a t i n gs o l i d i f i c a t i o no ft h ec r a n k s h a f ti n r e s i n s a n dm o u l dw i t hc a s t i n gm e t h o d ，c r a n k s h a f ts o l i d i f yc a r ld i v i d ei n t o4s t a g e s ： f i r s ts t a g e f i r s tr a w g r a p h i t eb a l la r eb e j n g r a wa n dn u c i e a r i ns u p e r c o o l i n g m e | t e n i r o nt og r o wu p1 n d e p e n d e n t l y ：s e c o n ds t a g e ，ab o d yb r a n c hj i n gg r o w t hu pt oc o n t a cl m u t u a l i y + f o r ms k e l e t o n ：i ti sb e g u ni n1 8 l g eq u a n t i t i e st h a tt h es t a g eo f3 t hm e l t s s p a ri n k ，a ob o d yb r a n c hji n gs t o pg r o w i n gu p ：t h es t a g eo f4 t h ，p l e n t yo fg r a p h i t e b a l l sg r o wu p ，g r a p h i t eb a l le x p a n s i o ng ot os u r f a c ea os h iz is h e l l ，ap a r to f e x p a n s i o nf o r c ep r o m o t ej i n gb e t w e e n1 i q u i dt of l o w ，m e n dt od r a wb a c ka os h ir i b r a n c hji n gs k e l e t o n ，m a k ed r a w i n gb a c kl o o s eh o l ed e c r e a s e ，ap a r to fe x p a n s i o n f o r c ep a s st h r o u g hs u r f a c ea os h it is h e11 p r o m o t ec a s t i n gm o l dm o v eo u t w a r d ，m a k e t y p ec a v i t ye n l a r g e ，m a c r o s c o p i cd r a wb a c kp i n ep r o d u c ei ns o li d i f ym i d t e r m ， m i c r o s c o p i c a ld r a wb a c kp i n ep r o d u c ei ns o l i d i f yf i n a lp h a s e ，s p a ri n km e i tt ob e h e l p f u le l i m i n a t et od r a wb a c kp i n e ，t h er i g i d i t yo fc a s t i n gm e i di sh e l p f u lt o d e c r e a s et od r a wb a c ka d o p tt or a i s et h er i g i d i t yo fc a s t i n gm o l dw i t hc h i l l t e c h n o l o g yt os o l v es h z in k i n g o fn o d u l a ri r o nc r a n k s h a f t ：a d o p t i n gs e t t i n g f e e d e ri ne x p o r te n dt os o l v es l a gi n c l u s i o ns o l v et h ed e f e c to fs l a g i n e l u s i o ni nc r a n k s h a f tc e n t r a lh o l ew i t hs p e c i a lp a i n t s t r i c t l y c o n t r o l p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，s o l v e sc r a n k s h a f td e f e c t 。h a v er e a li z e dc r a n k s h a f t b a t c hp r o d u c t i o nw i t hr e s i ns a n dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：r e s i ns e l f s e t t i n gs a n dc r a n k s h a f t s h r i n k i n gc a s t i n g t e c h n o l o g y 第l i 贾 y 6 8 3 3 4 7 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对；# 学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：三至芝垒竺!如蛸：f - ? j 8 曰 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电二子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 翌兰! 咎勘掣年f 月廖日 工程硕士学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂_ _ e 艺的研究 1 绪论 1 1 引言 树脂砂铸造工艺作为一种成熟的铸造方法，广泛应用于吐界铸造业，尤其是存市 场竞争激烈的今天，树脂砂铸件尺寸精度籀，表面质嚣妤，生产效率高，容易实现机 械化，使职工劳动强度低，作业环境好，生产周髑短，砂糟周转少等优势，已经成为 铸件进入国际市场竞争的綦本条件，树胎砂工艺代替传统的粘土砂工艺，使铸造工艺 东平有质的飞跃。 2 0 世纪8 0 年代，树脂砂铸造工艺在我国得以迅速推广应用，在机架、箱体类铸 件应用方溺，取褥逄好静经济效粟。扶2 0 0 0 年起，树旨秒铸逢工艺应孺0 二内燃梳车 柴油机铸件上。为满足铁路“货运重载，客运高速”的发展需求，内燃机车要“：质 鬣、上水平、主校次”。为诧大连戳车车辆厂，由铁道部蓬点投入，遴幸亍褥l 善砂王艺 技术改造，将树脂砂工艺应用于柴油机主要部件，缸盖、缸套、机体和变速箱体的铸 遴上，取褥琵葑豹技术经济散聚，诼大功率柒涵橇涟辘，栗耀球鼙铸铁楮瓣铸造生产， 属于首例。球墨铸铁曲轴结构复杂，曲柄不加工，主轴颈、连杆颈中心孔为铸造孔， 畜9 个主轴颈，蓥c 径为零2 4 0 m m ，8 伞连括联，直径为枣2 2 0 f w ，主辘中心孑t 盛径枣8 0 m n ， 铸件壁厚为8 0 m m ，曲轴全长4 9 6 2 m m ，是典型的大截面合焱球墨铸铁件，其技术娶求 饕常高，检查条释j 常严格，秘辩为程8 0 0 一1 5 ，金据缀织为受氐髂麴塔状石墨。蘧 化等级为1 3 级。曲轴精加工后，全部进行超声波探伤，轴颈表面、进行磁粉探伤， 积圭辜壅颈与连杼联过渡区域遴零豢夔 渗透法) 搽经，在主辘联与连抒颈过渡区警苎 ( 渗透法) 探伤部位不允许有任何缩松、夹渣、砂眼、气孔等铸造缺陷。原来大连机 车车辆厂采霜糙圭于型砂铸造工艺生产大功率紫溜疆蘧爨铸铁夔辜鸯，蕤毒鑫表嚣矮鬃j j 尺寸精庶低，同时粘土干型砂流动性差，无法采用机器造型，采用手工造型，而h ， 砂型需要二次烘予，英工艺特点为工夫劳动强度大，生产周麓长，影蝻藏辘矮量幽素 多，经常出现质量波动，多年来，曲轴平均年产港为4 5 0 根，废晶为8 0 根左右，废 熬率一毫在2 0 上下磐键，废基损失毫达1 5 0 余万元，为提嘉麴辍铸造鬏鳖，实戮癌 轴树脂砂工艺转产，工厂下达大功率柴油机曲轴树脂砂工艺研究谍题。 1 2 树脂砂应用与研究历程 鸯硬楗疆砂瓣礤究帮应爰在我国开始予2 0 世纪7 0 年代“1 。1 9 7 9 年潼家科委正 式下达大型铸铜件呋哺树脂自硬砂的试验研究和中间试验的科研谍题，由沈阳铸 造萋舅究所缝织列嚷黩撼爨囊疆砂瓣藤毒| | i 誊李辩、铸造艺、专用设每翻环保等j l 方瑷造 蘩 页 ：程硕士学位论文 大功率柴油机曲轴树脂砂工艺的研究 行系统的开发研究。8 0 年代以来，自硬树脂砂在我爵得刹迅速推广”。 2 0 鼓纪9 。年代自硬树l 蓦砂熟牯结剂种类逐濒增多，内原来麴以呋璃树8 量一唾十发 簸到碱性酚醛、甲阶酚醛树脂、p e p s e ( 酚醛脲烷错脂) 簿各种树脂糟结剂，包括用 于键台金铸件的搦潼教性树骀”“等。 1 9 5 6 年我因开始研究硝酚醛褥脂覆麟砂帝i 造麓j 占和巍鬻的技术，2 0 世纪6 0 年代 开始用于生产，至今已有多静覆膜砂用f 备釉铸件的生产。例如用于铝合金铸件的易 浚散覆藤砂，濡态溪膜砂、离心诲逡南覆膜砂等，全国的鬻膜砂厂如今有大小死十个。 2 0 世纪7 0 年代我国开始引进国外的冷芯盒制芯卜艺，主要有三己胺和二氧化硫 吹气硬仡一艺。斑予冷芯蠡工艺具有砂芯强度高、反应运寝快、溃散性好簿优点，在 戏圉的汽车行业使用越来越普遍”1 。2 0 世纪8 0 9 0 年代，制芯用粘结剂的种类越 来越多，镪露8 s e t 、一s e t 、c 0 2 硬诧碱往酚醛褥器、c 0 2 硬纯聚霖烯酸链等，以 适应对砂芯性能和环境僳护越来越高的要求“。 我霞在2 0 落纪5 0 , 6 0 年代，砂整、秽芯溶辩技未还照予一个较低麴东平，许多 铸造厂使用抖干石墨粉来黼止湿砂粘十型的铸件粘砂，即使使用滁料也是工厂自己配 蠲，蒗少有齑晶涂精供应。研究单位对跨逡溶秘瓣大力镶力投入巍获少“。逡a 8 0 年代，在六五计划期间，国家机械工业郝组织清华大学、沈阳铸造研究胼、 沈鬻工竖大学、上海交懑大学、北京涛燃撬厂、凌蹬重型橇器厂、沈辍稳楚蘸i 一等一 蝮单位对铸造涂料进行深入研究，开发出批性能先进的涂料，使我国的铸造涂料技 术运夏或接近蕾际先避承平“，褥砂受薅造涂辩豹磷究餐应爝接囊了一个空翦麓 商水平。9 0 年代，涂料技术又有了新的发展，些外国著名厂商进入中国市场，对 蔑鬻夔涂瓣按末趟爨了羧缀翡黎动俘蘑。与筵嚣时，一一秘全薪瓤念蘸涂释一一非占位涂 料的研究和应用i 妞在我圈些研究和应用单位展开”“2 ”等。近年铸造工作者又开展了 港失辏铸造涂瓣瓣繇究鹈波建2 。 1 。3 球墨铸铁曲轴树脂砂铸造工艺的现状 我图球铁曲牟由的研究工作始于1 9 5 6 年，9 月和1 0 月分另在北京和上海召开了球 铁赣麓磷落会，势蠢定了嫁铁遗轴霞瑟数阿靠篷。会后，秃锈繁澈撬厂、离豪汽车厂、 天津动力机厂、天津拖拉机厂相继开展了试验研究工作，并陆续龄定投m 。一机部汽 车鼹予1 9 5 7 年1 i 男在天津动力撬厂露开了铸铁忿轻经验交渡会议，截订了蘧铁蕊辅 的技术条件、检验方法，提出了曲轴用球铁呵采用q t 5 0 1 5 、与q t 6 0 2 两个牌号。 在豫纯囊论方甄，蹬工大、孛秘菠耪理所、暴华。p 工学藤、爨镶滋丧瓿学院 蹲单位分别采用液淬、热分析、扫描电镜观察、电子探针等先进手段进行试验，并系 统圭氇提出了塞己的鼹点：蹿装石端楚麸液鞠孛褒拨撬出长太秘；在滚态就；可爱发! ? 若 繁2 煲 工程硕士学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂工岂的研究 墨崎变；石器生成的结构机理是以螺旋位错方式长大；石墨畸变的原因是氯、硫等表 露活摊原子堵塞螺旋位镄台阶丽阻碍了焉攫的球状生长；镁、臻土等球化元素的作用 在j 二其脱氧、脱硫的“清扫剂”作用等等。这些观点丰富了原有的球化理论，弗对原 铁水质量控制、 警理选撂球化剂、加强孕育、防止球化不良和衰遐产生等生产实际闯 题都有非常重要的指导意义。 在五攫影貌方蕊，清华大学采用扫描电镜等手段，用潆腐蚀和热腐蚀方法，研究 了各种铸铁的石聚形貌和内部结构，建立了一套铸铁石墨形貌的扫描电镜图谱，并据 此提出，“铸铁石墨分类、命名”的文件，深化了对铸铁石墨形虢的认识。 在球铁基本性能方面，郑州机械所、艨j e 京钢铁学院、北京市机电院等单位系统 测定了各种不同撼体、不间牌号稀十镁球铁的动静态力学、使用、加工等性能，为合 瑷选用球铁材质制造服裰条件恶劣零件( 细齿轮等) 疆供了科学数据。 铸铁件在凝嗣过程中会析出舆氏体和石墨。舆氏体的结晶将引起收缩，而石墨的 耋毒晶将弓f 起澎膝，郎在凝阉过程中除产生收缩外还蒋出蕊膨胀，这使得铸铁缩我熊松 的形成过程及预测比铸钢复杂得多。 球篓铸铁由于共晶潦澍是戮粥状的方式送行黪，雨量在凝固螽麓存在比灰西德铁 更加明恩的收缩前膨胀，此时球墨铸铁还不能形成一个完挺的固体外壳。石墨折h 所 引筵的彩羰将会对登壁产生一定黥压力。这时餐鬃型壁静嗣度较蓑，裁哥戆毫疆蘩壁 移动和型腔扩大的现象。因此球爨铸铁缩孔的形成不仅与液态收缩、凝固收缩、石墨 纯澎涨、辫态渡缩有关，藕显与殄鳖鹤溺发有关。当球铁游滚态缎镶、凝滔投臻翔爱 胶扩大的总和大于石墨化膨胀和嘲态收缩的总和时，铸件将产生缩孔，反之则0 i 产生 缨琵。型整懿移动，畜时会镬球铁产皇雯夫豹绾魏。影穗铸铁绞捡影残懿因素缀多+ 主要是由石墨析出引起的膨胀所产生的。b r a d l e y 研究了影响球墨铸铁缩孔缩松形成 熬工艺因豢，表溺狳大量工艺因滚( 乞学戏分、王艺参数) 羚，还毽据铸件设计秘篷 型凼素。其中铸件设计方面包括铸件形状、浇冒网设计、冷铁、保温套的使用等；铸 髦溷素包牾铸受秘类( 手銎、湿燮) 及镑迄工艺。嚣到克赛德罗夫认为，冶金因索对 球铁形成收缩类缺陷的影响必须与铸铁的石墨化联系起来，而石黪化主要取决于碳硅 含量。壤据髫 l 萋麴疆究结装可以认为影螭球铁嚣练孔形成黪主要闲豢有铸馋模数、铸 烈条件、化学成分等，而影响球铁缩松形成的因素则是必须与球铁微观组织的形成过 穰联系起来，但这方嚣的工箨较少。 在汽车行业低速柴油机曲轴生产方面，国内外广泛采用高强度球墨铸铁生产，普 遮采用精砂震实与高压造型工艺、铁拨覆砂工艺与挝i 疑砂重力铸造工岂，通过调 | 玎 与实地考察，认为粘土砂震压与震实造型，砂型表面硬度不高，一般在7 5 8 5 i b s ， 高压造型可达8 5 9 0 t $ 8 ，铸型透气性差，不剥予型腔排气，同时铸型紧实度不均， 第3 嚷 j ：= 程硕士学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂i 艺的研究 容翁出现气孔与缩松缺陷，铁模覆砂工艺铸楚刚艘高，一般不出观缩孔雅松缺陷，但 撼型透气瞧差容辩出现气i l 缺爨”“1 “。树腊砂铸型表露艇度高，但导热性差，菇瀑 强度低，密易出穗缩松与气孔缺陷瞄“1 。为此，铁模覆砂工艺最稳定，椅腊砂二【岂 次乏，糙士砂工艺铰差。 【 f 聋由造型浇淀工艺般有，。f 浇一平冷、平滚一立冷、立浇一立冷、斜浇一斜冷与 斛浇一厦立冷。表1 1 是备秘方法的比较”3 工芝 ￥ 平浇一平冷平浇立冷立浇一立冷斜浇一斜冷斜浇一反斜冷 隅素心 挡蓬熬力较驽较好鳓上羁二好 摊。i 效隳较好较好较好较好好 冒口补缩- 一般好底注差较茇好 一 l 铸型刚度一般f 萄裔高尚 生产工艺麓攀菱杂复袭复杂复杂 综合效袋一毅较好较好一般持 大功率柴油机曲轴图外均采用锻钢轴，采用球铸铁曲轴我国属于首例。在2 0 0 0 年溅攀壤蕊车枣麓工，一逐行过巍辍褥骚砂铸造工艺磷究。爨为臻裣、关淤、表蟊蠢i 球 化、轴孔粘砂等工艺技术问题没能解决，不能应用树脂砂铸造工艺，至今采用成本商、 耋产率僬鼹羲覆搀砂蒋避工艺簧遗鼗疆，年产量援煮1 0 0 攘整，采强嚣舞砂铸造i 芝 铸造大功率柴油机曲轴，目前在阔内外，尚属空瞄项。因此没有任何的成功经验和理 论囊蘑可以嫠鍪。 l 。4 大功率柴油机树脂砂铸造工艺研究的意义 在研究树脂砂铸造工艺一般舰律的漤础上，进一步研究曲轴树脂砂铸造工艺过 程，金弼滚流动凝鏊鏊翕及彀臻鼢变耗规律，携獭簿决太鞭嚣球霎铸黢瓣辍缩投、哭 泌、粘砂簿铸造缺陷的工艺方法，设计遥台大批髓喃轴树脂砂铸造工艺，保证曲轴铸 造壤量，满是丈功率柒濑糗匏嚣嚣。 第4 蠢 ：【= 程硕士学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂i ：艺的研究 大功率柴油机曲轴树脂砂铸造工艺的研究，代替干模砂铸造工艺，以提高曲辅 豹尺寸 寿度与表灏质量，黪低劳动强度，提高生产率，净化 挈! 环境。 探索出一条大功率柴油机曲轴树脂砂铸造工芑的新路，为采用树脂砂铸造工艺牛 ，舱火断面球墨铸铁件提供了理论繁础。 总之，对大功率柴油机曲轴树脂砂铸造工艺的研究燎大功率柴油机的生产需癸， 乜是川树脂砂铸造丁艺生产大断丽球铁件进行优化工艺参数设计的需要。 1 5 本文所做的工作 本文在国内外已有的树脂砂铸造工艺研究的熬础上，在球铁曲轴凝固分析研究的 前提下，制定铸造工艺方案，用m a g 姒模拟分析计算，找出曲轴树艟砂铸遗工艺的。 般特性，确定铸造工艺参数，进行正交试验，优造出最佳的大功率柴油机衍轴树脂砂 铸造工艺方案。具体如下： 根据球铁曲轴铸造产生缩松的桃理，大功率柴油机曲轴的结褐特点，铷定出解决 这一技术难题的工艺措旋，采用m a g m a 软件进行模拟分柝、计算、修正工艺参数，确 定岛有效的工艺撼旋。 针对大功率柴油机曲轴树脂砂铸造，轴孔机械粘砂形成机理进行计算分析，找出 形成的因素对涂料、芯砂进行 苊选试验，确定解决曲轴孔机械糕砂的工艺措施。 针对大功率柴油机曲轴铸造产生缩松的机理分析、树脂砂的特性及造型工艺方 法、稿鞫的结梅特点，设计震实裁模造型穰，解决移爱的阐度稻均匀性，僚证潦圈过 程的自补缩的要求。 嗣嗣上述确怒工艺方法和选择静工艺携施，邋行组合工艺试验研究，采用正交试 验的方法，优选各：1 ：艺参数，确定出一个合理的铸造工艺方案，进行铸造1 艺方案验 证。在：l ：艺方案骏证静綦稿上，遗彳亍定量、定性、蕊律淫懿分辑囊拜究，完蛰铸造王艺 参数，确定出最健的铸造工艺方案，操作工艺，进行生产运用验证。 第5 受 工程硕士学位论文 人功率柴油机| _ f | 轴树脂砂工艺的研究 2 球墨铸铁曲轴树脂砂铸造工艺的理论基础 透过广泛豹调醑；实蟪考察，我翻知道为实或球墨铸铁曲寿垂撼疆砂工艺转产，酋 先必须研究各种树脂、同化荆的特点，研究树脂砂用涂料，优选性能好，价格低树脂、 固化刹爆于毅轴铸造生产。 2 1 树脂与固化剂 所谓树脂砂就是将砂予、液态树脂及液态催化剂混合均匀后，填充到芯盒( 戏砂 籀) 中，鞘趣紧实、鄹予燮渥下在芯盒( 鼓砂麓) 内硬化成型，叫是硬冷，撩金法造芯， 简称自硬法造芯( 型) 。臼硬法可大致分为酸催化树脂砂自硬法、尿烷系树脂砂向硬 法秘酚醛一髓囊硬法。 树脂自硬砂用于造型造芯，特别适用于单件和小批最生产，可生产铸铁、铸钢 及青色合金铸绺。其主要优点是；提赢了铸j 牛龅尺寸横发，改簿了表面攘糙度： 节约能源，节约车问面积；砂中树脂的厩量分数，由早期的3 4 降到了o 8 1 2 ，这是通过对溅砂的处理及对挝脂、催化剖、溺砂设备、工艺等方面进行改进得到 的，从而降低了成本；大大减轻了造芯、造型、落砂、清理工人的劳动强度，便于 实现机城化；嘲砂可再生，有利于防止二次公密。 1 、酸催化树脂自硬砂 ( 1 ) 酸催化树脂自硬砂用的树脂 常墙粘结荆为呋喃橱脂和熟阉性酚醛树脂。也有采用酮醛秘脂与糠醉的澹合物 ( a r f a ) 、糠醇甲醛聚合体( f a f ) 、糠醇与其他活性化合物的混和物( f a c ) 。 糠醇含量越高，铽帮永的含量会愈低，精结剂的横量也愈好，餐价格也商 ( 2 ) 酸催化树脂自硬砂用的催化剂 通常臼硬法罔催仡翻应符合以下要求：傈 芷】：艺过程所麓定静礤仡速度帮强 度；具有低粘度的液体，不产生沉淀；长期贮存时，性能不变 如冬季运输引起 冷凝，随后加热络亿，睫髓可国笈；价捂合理，经济。 ( 3 ) 可使用时间和脱模时间 可篌稽靖闼是撵自酸街筹砂混砂后麓够裁出合格砂芯酌臻一敬时闻。羧模时瓣楚 措从混砂结束开始，在芯命内制的砂芯( 或未脱棋的砂型) 硬化到能满意地将砂芯从 芯盒中取壅( 或黢模) ，瑟不致发生砂蕊( 或砂鬃) 交形所需豹时闻闯蕊。 影响可使用时间、脱模时间的凶素很多。实验表明，所采用的原砂、树脂、催化 荆酶类羹、囊量耱翔入蠡、混砂一二艺、环凌湿度黟涅度，均黯可整媛时阁黟驻接时闽 第6 氟 工程硕上学位论文 人功率柴油机f | 1 轴树脂砂工艺的研究 有明显的影响，影响最大的为环境温度和催化剂加入最。暑刍催化剂量相同，室温不同 时，涅度低时坷使心时间长；湿度高时呵馒用时间短。其趋势是溉度每增加1 0o c ，可 使用时问缩短1 2 - 1 3 。窒温相i 司时，倦化剂加入量减少，可使用时问明显增氏； 燃化剂增多，可使用时间缝短，但是催化剂加入帑超过r 定范围压，可使用时蚓变化 不大，但对脱模时间影响显著，温度变化也明显影响脱模时间，其趋势是渝度每增力 5 ，脱模时间缩短1 2 - u 1 3 。 2 、自硬尿烷树脂砂 ( 1 ) 醇酸油滕烷树滕砂( l i n o c u r e 法) 这种方法是1 9 6 5 年左右由美国a s h l a n d 化学公司开发的，稼为l i n o c u r e 法。 这种工艺采用的粘结剂由三部分组成，即组分i 一油改性醇酸树脂：组分h 一液态胺 金属德干帮，常精静缳干帮为育秽i 酸酌金属毫类催干剂；组分i i i 聚m d i 蘩异 氰酸酯。三种成分均为液体，其中i 和i i 是主要成分。组分i 的加入量占砂质撬的 l 2 ；维分i l i 加久懿为组分l 的1 8 2 0 ：缝分i l 为髑来达蓟预定的可傻搿时 间和脱模时间，加入量为组分i 的2 1 0 ，可单独加入，也可预先加入组分i 内。 ( 2 ) 多元醇藤靛褪瑟砂 它晟在7 0 年代末期开发的，特别适用于铝、镁和其他轻合金铸造厂。组分1 足 + 稀其蠢良好热溃散隧静多元酵，缀分l 是g o i 鳖凳氨黢穗，缀分正是缓催乞荆。 当组分1 和组分i i 的质量比为5 0 ：5 0 时可得到媛好结果。 鎏分i i i 一般不臻，羧模露瓣扶8 m i n 到超过l h ，位纛哥焉缀分来控锈疆模时润， 有时l u j 陕达3 m i n 。粘结荆加入量对于轻合金来说为砂质量的0 7 - 1 5 。 ( 3 ) 魏醛尿烷褥藿砂( p e p s e t 法) 这种丁艺于1 9 7 0 年开始用了二铸造，国外称p e p - s e t 法，采用的粘结剂南三部 分缝或，鞠苯基越酚醛撼基缀分i ，聚髯氯酸鹣一缀分i i ，骚镗诧剡一组分i l i 。 三种成分均为液体。组分i 和组分i i 之比常采用5 0 ：5 0 ，或为了减少含氮量而采用 6 0 ：4 0 。这两毒孛成分戆憨糖灭_ 塞为砂矮繁豹1 。4 1 5 。整壬艺劐羯于疆整懿膳砂豹 硬化速度，其加入量为组分i 质世的l 一5 。 漏参l 方法如下：先撼瓣醛掇糖与缆讫翅漫合，夔缨化刹均匀她分教在树脂巾。 混砂时再把含有催化剂的酚醛树脂和聚异氰酸嘲依次加到砂中。最好使悄高效混砂 规。 3 、酚醛一酪自硬砂 酚醛一酝鱼硬砂分低氮或无甄树黯，在混砂、浇注时气味和烟雾少，自1 9 8 1 年 开始推广以来，已逐步获得较多的应用。 ( 1 ) 树脂的性能 嚣7 嚣 工程硕士! 学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂工艺的研究 酚醛酯自硬法用树脂的粘艘与酸催化自硬树脂相似。在窀濑下的保存( 储存) 期约为4 一8 令月。 ( 2 ) 酯催化剂 期于这种粘结剂的催化剂为一系列的液态醮，它不能取代通常蛔自硬法用酸憾化 荆，也不能同它l fj 混合在一起。尽管这种酪佳化剂具有弱酸性，佩它们不能同呋喃和 酚醛用酸健化自磷的磺酸槌客。脱模时间取次于所用酯催化剂的类型，催化剂加入量 和砂子的温度。 ( 3 ) 混砂 当采厢间歇式或连续式混砂瓶混砂时，象酸僚化法一样，首先加入酯俺亿剂缀分， 赢到完全包覆砂予后再加入树腊缌分。 ( 4 ) 使用情况 原砂中的粘结剂的典型质量分数为1 5 2 ，催化剂占树脂质量的2 0 2 5 。 这一方法采用各种各样的石英砂、铬砂、锫砂都合适，祷捌是橄撬石砂。 树脂和催化剂都是水溶性的，一些地方即使粘附了术受催化刹作用的树脂砂，也 霸清洗簿。 在树脂加入爨差不多的条件下，酯硬化砂的实际强度没有酸催化的树脂砂和屎烷 l 妻| 硬静赢。不过当采焉逶常的l 。2 ( 质量分数) 斡攘入量时，一般已是够逶含 生产优质低碳钢、不锈钢、球铁、灰铁、肯铜和铝铸件。由于此法不含硫，它能很好 筑用于郡釜西蔽羧蘸会或凌瑟题蠡搴锱静静生产。 酯硬化酚醛自硬法的个特殊优点是降低脉纹缺陷。其他自硬酚醛铸型，在浇铸 避程中，在镑鍪金震赛垂会疆瑷裂纹，嚣诧法夸浇注造程中，表凄出现爵逑受开 裂的短暂的热塑性阶段，然后再变成刚性并清散，因而可得到无脉纹缺陷的光洁铸件。 2 2 树脂砂工艺球墨铸铁铸件用涂料 砂蘩铸造臻涂辩是稳蠲来涂敷在砂鬟型整秘砂芯表露形藏游篷鹭砉孝瓣。葵馋越 是： 1 ) 瀵莞铸释产生表嚣糖糙、孝晁棱秘砂、讫学糕砂； 2 ) 防止球墨铸铁铸件表面渗硫，防止铸件表面产生石墨球畸变。 3 ) 溺涂瓣寒产生冶金效应，改善铸件局部豹表嚣性筏积怒燕质量。 涂料的基本组成 1 ) 瓣灾粉糕是涂燃中夔最差要组分，在涂料中豹矮篷分数邋鬻高1 尹5 0 。潮 外常称为耐火填料、基料。因冀主要组成物皆为耐火材料粉碎而成的细粉。 2 ) 载俸液体常震豹是承、乙醇。 辩8 蠹 一程硕 ：学位论文 人功率柴油机曲轴树脂砂工芝的研究 3 ) 悬浮剂，水基涂料常用的悬浮剂一类是使水形成胶体溶液的无机粘结剂，例 如膨润土、蒙托石等：一类是能与水形成高分子溶液的有机悬浮剂，例如羟甲基纤维 素( c m c ) 、海藻酸钠、聚乙烯醇( p v a ) 、糖浆、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸胺等。 4 ) 粘结剂，醇基涂料用的粘结剂属于低温型的有松香、漆片( 虫胶) 、p v b 等； 属于较高温犁或高温型的有加r 六皿甲基四胺的线性酚醛树脂、热固性酚醛树脂、砗 酸乙酯等。 2 3 树脂砂混砂工艺研究 通过以上分析，我们选择呋喃树脂、酚醛树脂作为粘结剂进行树脂砂试验。 ( 1 ) 原砂：选用50 70 目水洗大林砂其s i 0 ：含量9 5 ，含泥量0 5 ， 烘十至水分0 5 使用，主要技术指标符合j b t 9 2 2 51 9 9 9 标准。 ( 2 ) 树脂：树脂是连接砂粒与砂粒之间的桥梁，其性能决定型砂的强度、山气性 和流动性等性能的好坏。选择树脂原则是无氮( 或低氮) ，含水量低，游离甲醛少，判i 度要小。呋喃树脂参数见表2 1 ，碱性酚醛树脂参数见表2 2 。 表2 1呋哺树脂性能参数表 序号名称密度g c m 。粘度m p a s糠醇含氮虽游离甲醛 1z f - 2 o n1 1 31 2 52 08 52 0o ，3 2z f 一1 5 n1 1 0 - 1 2 01 89 5 1 1 5o 3 表2 2 碱性酚醛树脂参数表 粘度密度抗拉比强度贮存期 型号外观 2 5 m p a sg c r n 3 m p a 月 n f 一2 0 1暗红色6 0 01 2 01 2 50 6 一o 96 ( 3 ) 固化剂：呋喃树脂固化剂及性能见表2 3 表2 3呋喃树脂固化剂 号 名称 外观 密度g c m 3 粘度m p a s总酸度含氮量游离酸 1 二甲苯磺酸棕色，不分层 l 2 一1 42 01 53 62 o l o 2 对_ r l 苯磺酸 棕色，不分层 1 2 1 42 09 5 l 1 5 ( 4 ) 试验设备：$ 2 0 2 碗式混砂机、造型材料发气仪、美国辛普森型砂万能强度 试验仪。 筇9 页 工程硕士学位论文 大功冀i 柴油机曲轴树脂砂m 艺的研究 ( 5 ) 配砂工艺：原砂t 混0 5 h + 同化剂湿混1 5 - 2 h + ( 树脂+ 偶联剂) 施混卜l ，5 h 出砂。 ( 6 ) 性能检测方法：可使用时问与趟模时间：树脂砂可使用时间是指混砂后垒 烈芯砂能铡戏台格型、芯的时间，起模时闯是指制好的型芯进行起模丽不损坏的最缀 时间，其测定方法为：试验时，将刚混制好的型、芯砂立刻制作3 - 5 个5 0 m m 5 0 m m 标准抗压试样，并把开始填充时间作为起点，尔届，每隔1 分钟，心试验装置的探针， 厩入铸型材辩中，读出强度计的数字，按娥定，当抗压强度达到0 0 7 却a 时所经历的 时间为可使用时间，当抗压强度达到0 1 4 m p a 时所经历的时间为起模时间。 强黢：称量一定数羹的型砂，翎成标准的“8 ”字鼙试祥，抗拉试样为腰部断面 尺寸2 5 m m 2 5 i i l n 的“8 ”字形；抗压试样为中5 0 m m x5 0 m m 的圆柱形。 ( 惹组5 个， 试样质餐为6 7 6 ，试验条件为砂滏2 0 ，室溢2 0 。c ，相对灞度为5 0 ) 。将镧好静鬣凄 试样分别放置l h 、2 h 、5 h 、2 l h ，用万能强度试验仪测定抗拉强度，去掉- 个最大值 与最小僖，壤余下的3 个数德麓平均使。 吸湿性能：先制作2 组“8 ”字试样，其中组在室温硬化2 4 h ，测定抗拉强度， 另缰在整溢硬纯2 4 h ，瓣磊敢入褶对浸凄r 9 5 镛酶封 i | 容器中，傈持2 4 h ，溺怒其 强度，以试样吸收水分的前后强度下降的程度作为衡量型砂吸湿性能指标。 发气往：摇整移热熬辩褥崮气体懿麓力，麓擎位矮蘩懿鍪砂加热时辑出豹气体 体积量表示，单位为m l g 。 ( 7 ) 试验结果与分辑 予 拉 强 度 m p a 嚣他裁翅入量( ) 可 使 蔫 时 间 ， 疆化剂热入量( ) 圈2 ，l 霹纯裁加入量对抗拉强庭嬲嚣嫡 图2 、2 固化测抽入量对可健崩时闻的影响 表2 4 是固化剩加入攫对硬化速度和强度的影昀。结果表明，豳化剂娆有效撼调 节硬化速度。若生产中要大幅度地改变硬化速度，调节生产节拍，则应考虑更换围化 蘩 0 嚣 工稃硕士学位论文人功率柴油机曲轴树脂砂丁：艺的研究 剂的类型因为网化剂能使硬化反应趋予完全，所以存定范围内，可以提高树脂 砂| ! 勺强度。 表2 4 固化剂力羁入量的影响( 试验温度为2 6 ) 固化剂加入熬可使用时间起模时间抗拉强度 m l nm l nm p o 2 51 52 60 8 5 3 01 32 31 3 0 4 01 22 11 3 5 5 0 91 91 ，1 2 6 071 4o 7 6 试验缭梁强表2 5 袭2 5试验结裂 树脂旧砂固化剂偶联剂2 4 小时干拉强度发气最树脂含氮餐 试号 ( )( 篱)( )( 键)( 狂a ) m 1 )( 键) l1 o5 04 00 2 、o 3o 7 61 4 2l ，5 21 15 04 00 2 、o + 3l 0 91 6 11 5 31 25 05 00 。2 0 。31 1 21 8 61 41 355 00 2 0 3l _ 4 62 0 31 5 51 29 05 00 2 o 31 1 63 1 73 o 通过试验，综合考虑鳖砂强发、发气量等函豢，敌逡定第2 方案 乍为癌轴褥疆 砂掣砂试验的配比方案，她表2 ，6 。 表2 6树脂砂疆砂配院 l 材料新砂旧砂呋哺树脂硅烷固化剂( 树脂含量) | j l 配比 5 05 01 1o 2 0 35 0 2 + 4 树脂自硬砂的铸造性能 第il 页 工程硕士学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂工艺的研究 表2 7 是呋喃树脂自硬砂发气性的试验结果，其发气量约1 6 m l g ，存最初2 0 s l j 的发气速度为0 2 4 m l g s 。呋喃树脂与酚醛碱性树脂发。i 性对比结果见图2 3 所示。 表2 7 呋喃树脂与酚醛碱性树脂发气性对比表 发气时间s 51 0 2 03 04 05 06 0 发气量 呋喃酸性树脂砂 1 44 77 69 81 1 21 2 01 4 o i l g 1 酚醛碱性树脂砂 2 ，76 21 0 5 3 11 4 8 1 5 11 6 8 偷 目 、 删 旷 糕 1 02 03 04 05 06 0 时问s 1 ：酚醛树脂砂 2 ：呋哺树脂砂 图2 3 吠哺树脂与酚醛树脂砂发气性对比结果 2 溃散性型芯的溃散性好坏，可以用其高温残留强度高低来反映。试验是将 试样放入预先加热到规定温度的电阻炉中，保温2 0 m i n ，取出，待其冷却到室温后， 测定高温残留强度。试验结果见表2 8 。可以看出，在1 0 0 。c 以内的低温烘烤，对呋 哺树脂砂的强度没有太大的影响，但随着温度升高，树脂粘结膜分解加快，5 0 0 。c 时 强度已完全丧失。 表2 8 呋喃树脂与酚醛碱性树脂残留强度对比表 残留强度 室温i 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 l 试验温度。c 1 残留强度 呋哺酸性树脂砂 1 1 61 1 6o 7 30 6 3o 1 5o r lm p a 酚醛碱性树脂砂 i ，0 41 0 51 1 51 1 10 5 70 4 6 3 流动性型砂存外力或自重作用下，沿模样和砂粒之间相刑移动的能力称为 流动性。流动性好的型砂可形成紧实度均匀、无局部疏松、轮廓清晰、表面光洁的犁 第12 更 安 i _ 工程硕士学位论文大功率柴油机曲轴树脂砂工艺的研究 腔，这有助于防止机械粘砂，获得光洁的铸件。此外，还能减轻造型紧实砂的劳动强 度，提高生产率和便于实现造型、造芯过程的机械化。 2 5 本章小结 本章研究了呋喃自硬树脂砂替代粘十干型砂工艺的可行性，通过试验掌握了吠 喃树脂a 硬砂的硬化特性、抗拉强度、发气性、溃散性。树脂自硬砂适用于造型造芯， 特别适用于单件和小批量生产，可生产铸铁、铸钢及有色合金铸件。呋喃树脂砂流动 性极好，有利于制造复杂型芯：型芯的抗拉强度不低于其它类型自硬树脂砂型，能够 保证复杂结构型芯的使用性能，国徙j # t - 许多铸造厂家生产实践表明，采用呋喃造型 制心i i - ，性能优越，铸件尺寸精确，废品率直低于2 ，综合经济效益可观。 因此， 选用呋喃树脂自硬砂来替代粘土干型砂，其主要优点是： 提高了铸件的尺寸精度，改善了表面粗糙度； 大大减轻了造芯、造型、落砂、清理工人的劳动强度，便于实现机械化； 旧砂可再生，有利于防止二次公害。 酚醛碱性树脂砂具有二次硬化现象，其高温强度高，适合于制作曲轴芯砂。 镣13 页 t 程硕士学位论文 大功率柴汕机【f i 轴树脂砂1 艺的研究 3 大功率柴油机曲轴树脂砂铸造工艺研究 通过上一章的分析，我们掌握了树脂砂铸造工艺的特点，知道捌脂砂i 艺是一个 影响因素众多的复杂系统，非常适合于薄壁复杂铸件的甲件小批罩生产，而对人截面 的柴油机曲轴来说，由于树脂砂型具有在高温状态下容易软化的特点，决定了大截【f i | 曲轴树脂砂i 艺难度犬，须要解决的关键技术多。本章将对大功率柴油机曲轴树脂砂 铸造工艺进行分析，探求实现曲轴树脂砂工艺的方法。 3 1 大功率柴油机曲轴结构与标准要求 1 6 v 2 4 0 z j d 曲轴长3 7 7 5 m m ，净重1 4 3 0 k g ，9 个主轴颈，直径为中2 2 0 m m ，8 个连杆 颈，直径为巾1 9 5 1 i m l ，均系中空结构。 根据设计要求，曲轴机械性能达到表3 1 要求，检验性能试样从曲轴毛坯端部， 金相组织符合表3 2 要求。 曲轴毛坯见图，主轴颈尺寸为2 4 0 m m ，连杆颈尺寸为中2 0 5 m m ，壁厚为8 0 m l ， 铸件总长度为4 9 6 2 m m ， _ 1 n r i li _ ll urm r n f jt 啊r r丌r | n r 订 ll zu il 删卅 【卅 卜廿 廿h 斗。 i姐 l 7 旷 铷出端二：轴颈v。vni ii ii第i 主轴颈 表1 曲轴机械性能指标 图d 型曲轴毛坯图 抗拉强度延伸率冲击值j c m 。硬度f l b 【l7 一 表2 金相组织 球化率( 级)铁素体数晕( 级)渗碳体数量( 级)磷共晶数量( 级) 332 3 2衄轴树脂砂铸造工艺缩松形成与工艺分析 曲轴应用低压铸造方法将金属浇注到型腔内部，在浇注过程中，铸型与水甲面成 大魑率柴油据晦敏 硅滕砂王艺的骈窕 4 5 魔宠鼎。浇波宠成蘑，升骧营部分铸 ；牛截藤较小+ 最先凝冈。升液赣剐剐凝同面， 瓣辚蒋型，越斯溢度鞍嵩、淌幂建立鞍商强度j 勺升渡嚣，连丽翱辅n i , l ：旋转1 3 5 艘， 使铸受码水平蕊成9 0 度南，囊蛊铸件，穗其在个鞍寄刹吨位霞氍礤，充分利用盘 蕊浆自蕈、冒u 补蜒。 在凝霞过程中，往冷铁中的承管t 脚照水，加强铸辞笑犍帮谴冷雄，到遗顺序凇霹 的条件，消豫绞车登、缩孔簿敞陷。 现离躺生产条件是，存整个饶注、凝磷醚褡中，镞压克鏊过程中嚣力是甭选剩设 ； 麴揍力( 0 。5 b l p a ) ，5 0 s 钟充填完毕，7 - ir t 后顿转于 。始，翟前时蚓箍工凡焰秒 豪捺铆，冷却承的控硌 融予难掇作+ 采用常流水方式冷都。 缩捡起球萎铸铁秘辍诲中 中嚣她的拣陷。形成螭橙豹擞瑚十分囊杂，一n 救谌辩乏喜 两个厥n ：凝瓣收缩与气体辑l 爵嚣稍簿瞎凝溺过程申凝澍收缩与气诂辑鼙静濒素 陈了台惫本岛韵特性并，主要还柯溢虚鞘瘫、冷却速度、黼液界蕊移动逮凌、餍镲瓣 醚时勰、金瓣藏中食气蕊、井隶晶棱数餐等等。出予嚣晌嚣索众多，鑫嚣索之蝇又常 锥存在相互作焉，受时澜弓经费隧裁，小雄自l 对遣些强豢避背金西鲍实验姆 究，更没有 台连静物理模型可戳靛释这嫠霪素。疆常襻蹙舒对个疑鳓豢蕊一袋闵素避行窭骢舔究， 憋结出缝计摸梨。或者摄据现有的趟论实验攘型怅攥实黢经验进行分顿。 铸铁件静鑫 翁靛力量在嗣w 瓣发室翁撤鳙鞠彩瓤榴抵消，霜币是总妖境霹蕊 辫嚣的代数帮，不问时剥产生豹收缩署 ： 膨胀是墨：s 帽抵触。事蜜上收缩在裁，掰般在 羼，蘅显簿静牧嫡育两丈特意：一是嫒酸麓嚣不确定健，= 是投霸遴鏖韵可变牲。它嚣 至少婺蹙至l 三兰巾方蘸因素影响，( 1 ) 铸型静类： ( 2 ) 凝蠢过程中相交体积交纯 凝霞过程中秘变g | 怒熬彀缭帮澎藤在球铁懿凝罄过程中，垮糖港葵昆体窝石蕊， 囊茂体静援出将0 | 怒收缩，巍石受戆辑出将$ l 莛彩涨。为了计算瑟游收缩蓬，需餮计 第1 建 工程硕士学位论文 大功率柴油机曲轴树脂砂工艺的研究 算析出奥氏体的收缩量和析山石翠的膨胀黾。 共晶奥氏体收缩量( sr ) sr ：l 一旦。塑二。 1 0 0 1 0 0c e 共晶石墨膨胀量( ege ) ege 1 0 0 l o o ”而s l 等毫 c e c r 3 5( 3 2 2 ) x 丝二8 35( 3 2 3 ) 1 0 0 一c c 总体积变化= ege slsr ( 3 2 4 ) 将tp = 1