（机械工程专业论文）大型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计.pdf

工程硕士学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 摘要 本文从生产方式、铸造工艺方案选定入于，令面分析研究了大型球墨铸铁整铸 机体的工艺性和生产可行性。通过f ：部设计、制芯生产线设计、工艺设计、工艺参 数选定、三维坐标定位法创新漫计等手段，创立出。整套伞新的整铸机体生产r 艺。 研究应用结果表明，工部设计和制芯生产线的设计能够满足年产4 0 0 台整铸机体的 生产大纲。其设备、工艺水平已达到九1 年代中期世界先进水平。此铸造工艺和方 法有许多为国内同行业首创。现已成功应用到12 7 2 8 0 z j 、1 6 7 2 4 0 z j 、8 v 2 4 0 z j 和 4 l 2 4 0 z j 四种新型整铸机体的铸造生产中，所生产出的整铸机体不仅达到产品设计 技术要求，内外部质量优良，而且尺寸公差达到g b 6 4 1 4 8 6 中的c t 8 以上，重量 公差远高于g b t 1 1 3 5 1 - - 8 9 中的m t 8 级。 关键词：机车柴油机，整铸机体，树脂砂，r 部设计，三维坐标，铸造工艺 第1 负 工程硕士学位论文大型整铸柴油$ ) l s l 体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 a b s t r a c t t h e c a s t n gp r o c e s sd e s i g no f a r g e s i z e de n g i n eb l o c k sm a d ef r o m d u c t i l ei r o nf o r l o c o m o t jy e si s p r e s e n t e da n dt h ep ro d u c t i o nf e a s i b i l i t y isa n a l y z e di nt h ea r t i c l e t h ec a s t i n gp r o c e s sd e s c r i p t i o ni sv e r yd e t a i l e d a n dc o m p l e t e ，i ti n c l u d e s d e s i g n i n ge v e r yc a s t i n gp r o c e d u r e ，c o r e m a k i n g p r o d u c t i o nl i n e ，p o s j ti a n n gc o r e si nt h r e ed i m e n s i o n a l d i r e rl i o n s s e l e c t i n gc a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s e l e c t i n gt h ep a r t i n gl i n e ，d e c i d i n g t h ep o u r i n gp o s i t i o na n dp o u r i n gb a s i n ，d e s i g n i n gf l a s k sa n dc o r eb o x e s ， s e l e c t i n gm a t c h e de q u i p m e n t sw i t ht h eb l o c kc a s t i n gp r o c e s si nr e s i n b o n d e d s a n da n ds oo n t h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e si nd a l i a nl o c o m ol i v ea n dr o l l i n g s t o c kw o r k si n d i r a t et h a t1 ，h ec a s t ；jn gp r o c e s sc a nm e e tt h ep r o d u c t i o np r o g r a m o ew hic h4 0 0e n g i n eb l o c k sa r ep r o d u c e dp e ry e a ra c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d s jnt h em i d d l eo fn i n e t i e so fl a s tt e n f u r yi nt h ew o r l d t h ea u t h o ra n dh is p a r t n e rd e v e l o p e d t h e p r a c t i c a l a n d p r o d u c t i v ec a s t i n gp r o c e s s t h e l a r g e s i z e de n g i n eb l o c k sf o rl o c o m o t i y e sm a d ei nt h ec a s t i n gp r o c e s sc e m e u pt o t h ed e s i g n e r ss p e c i f i c a t i o n sa n da r es e r v i n gf o r t h el o c o m o t i v e s i nc h i n e s er a t l w a yw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，b e c a u s eo fi t ss o u n djn t e r n a l q u a l i t y ，f i n i s h i n gs u r f a c e sa n dt h ec a s t i n gd i m e n s i o nt o l e r a n c e sc t 8 9i n t h ec h i n e s es t a n d a r dg b 6 4 1 4 - 8 6a n dw e i g h tt e l e r a n c e sm t 8i nc h i n e s es t a n d a r d g b t 1 】3 5 1 8 9 k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n ef o rl o e o m o t i y e sc o m p l e r ec a s t i n ge n g i r eb l o c k r e s i nb o n d e d s a n d ，p r o c e d u r ed e s i g n ，a n dt h r e e d i m e n s i o n a l d i r e c t i o n s c a s t i n gp r o c e s s 第儿页 y6 8 3 3 54 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本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：奄老 m 年f 月，j 日 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：蕉整牛年r 月，j 日 程硕士学位论文 大曩! 整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 l 绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 铁路内燃机车是我国主要运输工具之一，为了满足铁路运输业“高速重载”的 市场发展要求，铁路内燃机则必须加快技术进步，超前发展，使内燃机车各部件尽 快“上质量、上水平、上档次”。其中内燃机车的心脏部件柴油机尤为重要，柴油机 的研制开发必须吸收国内外先进技术，用高新技术武装柴油机，使其进入“中高速、 大功率”的发展时代。 铁路内燃机车柴油机中有许多重要部件，其中柴油机机体是最大的主体部件， 也是重要部件之，用先进的生产方式、方法和t 艺制造合格的柴油机机体是本课 题的研究目的。 目前国内大多数柴油机机体是采用铸钢、钢板的铸焊结构，而国外先进的柴油 机机体均采用球墨铸铁整体铸造结构，经过科学论证，球墨铸铁整体铸造机体有以 下突出优点：在技术性能方面具有较强的二r 作稳定性、减振性，制造使用无裂纹倾 向，综合加工性能优良：在生产方面，制造周期短，生产工序少，并可直接省去主 轴承座和机体钢板焊接件的一次加工、焊接以及相应的生产作业面积，因此可以大 幅度降低生产总成本，提高经济效益。从大功率柴油机技术发展来看，己将球墨铸 铁整铸机体定为一项铁路内燃机车柴油机技术发展的新技术，并逐步实现了各种各 样的多功能一体化柴油机机体设计。与此同时，通过计算机力学和材料力学辅助设 计已使整铸机体达到优良合理的力学结构，最大限度减轻重量，从而使柴油机的纵 向、横向稳定性大幅度提高，内燃机车总重量下降到轴重以下的合理重量。如大连 机车车辆有限公司早在1 9 9 3 年就与英国利卡多公司进行技术合作，开发了新的2 4 0 系列柴油机，其巾大部分零部件均于当年投入生产，只有球墨铸铁整铸机体采用手 工造型制芯工艺，只成功试验制造一件，因生产效率低，工艺1 i 稳定，废品多而且 没有实现批量生产，机体依然采用铸焊结构，其整体刚性与减震性能等无法满足柴 油机设计要求。到1 9 9 7 年，大连机车车辆有限公司与美国西南研究院进行技术合 作，开发了新一代2 8 0 系列柴油机，其中机体承受更大的载荷，需具有良好的整体 刚度与减震性能。此外，柴油机的主润滑油道、冷却水道和齿轮箱、连接箱与机体 一体化，为此必须采用球墨铸铁整铸机体取代一直在用的铸钢、钢板组焊结构机体， 如图1 1 “1 2 v 2 8 0 整铸机体立体结构设计图”。这种结构的机体如果采用铸焊结构， 将无法实现。因此我们可以说用球墨铸铁整铸机体取代一直在用的铸钢、钢板组焊 结构机体，作为新型大功率柴油机机体，优势众多，技术、经济意义重大”。 第l 页 r 程硕十学位论文大型整铸柴油机机体树脂砂i 部设计、工艺研究与设计 图111 2 v 2 8 0 整铸机体立体结构设计幽 第2 页 工程硕士学何论文 大型整铸柴油机机体树脂砂_ 部设计t 、工艺研究与设计 1 2 球墨铸铁整铸机体与树脂砂的发展历史和现状 综上所述，球墨铸铁整铸机体在性能、经济、制造、技术发展方面确实优于传 统的铸钢、钢板焊接结构机体，但从另一方面米看，整铸机体的几何尺寸、重量和 复杂程度都远远高于铸焊机体，刈一次性铸造来说难度很大。 早在7 0 年代术期，国内外的一些铸造厂家曾多次试图用干型砂、合脂砂、桐 油砂为牛产方式铸造大功率柴油机整铸机体，但终囚干型砂的强度低、合脂砂和桐 油砂的蠕变性大而无一获得真作成功，丰要表现为整铸机体的整体质量极差，夹砂 多，表面质量差，几何尺寸精度低，即使当时的质量标准不高，其废品率和返修率 仍然极高，从生产和效益方面来看，以手t 为主，型、芯的废品量较大，机械化程 度低下，环境污染严晕，加t 量超大，因此不论是铸造还是加t 困难都很大，而且 效益很低，町以晓是因为生j “。方式的落后阻碍了大功率柴油机整铸机体的研制和铸 造t 艺发展。 落后的生产方式不仅阻碍了大功率柴油机整铸机体的铸造，同时电金面影响着 全世界铸造行业的发展，其铸件的质量度无法满足工业发展的需求，因此唤起了 许多科学家从事化学粘接剂砂的研制。 1 9 4 0 年第二次世界人战期问，德幽的j o h a n n e sc a r la d o p hc r o n i n g 博士丌 发出用酚醛树脂作粘接剂的壳型铸造工艺，并于1 9 4 4 年2 月获得专利权。在1 9 4 7 年被审查者发现，并作为战利品加以公丌，为铸造业提供了一种划时代的新型造型 t 艺。5 0 年代后期，欧洲开始采用酸固化呋哺树脂自硬砂，美国大约在1 9 5 8 年丌 始采用酸崮化酚醛树脂自硬砂和酸固化呋哺树指自硬砂。在1 9 6 0 年前后，为了适 应汽车工业的高速发展，在欧洲、北美洲开始采用呋喃树脂热：芯盒制芯法。约在1 9 6 2 年，美国又开始采用酚醛树脂热芯盒法制芯。热芯盒法和油砂制芯法相比，不仅能 提高砂j i ：! ：= 的尺寸精度，而且【叮以缩短制芯周期。到1 9 6 5 年，在自硬砂生产应用方 面出现了由美国a s h l a n d 油脂化学公司开发的用于铸造的新型树脂品种醇酸油 尿烷自硬树脂，该法称为l i n o c u f o 法。为了达到象热芯盒制芯那样快速制芯，而 又不必对芯盒加热，1 9 6 8 年a s h l a n d 油脂化学公司又向铸造业推出了吹胺硬化的酚 醛尿烷胺冷芯盒法，国外称i s o c u r e 法或称酚醛尿烷冷芯盒法，我国称三二乙胺法， 芯砂只需吹儿秒钟的气雾胺，就可使砂芯在室温下硬化。随后在铸造生产中又出现 rs 0 ：法、温芯盒法、红硬法、酯硬化法等各种树脂砂工艺的成型方法6 “。“。 自从合成树脂在铸造行业中应用以来，其发展速度远远超过了铸造生产l j 使用 的任何粘结剂，在当时铸造用的树脂粘结剂人约有2 0 多种，因成本和技术问题， 主要是用于中小砂芯的牛产，到了7 0 年代初，以呋哺树脂白硬砂为代表的树脂砂 蒴3 页 t 程硕士学位论文大型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 异军突起，引起世界各国铸造q p 的普遍重视，n i i - l 从造型材料、铸造工艺和设备等 方面均有不同程度发展，引起了造型、制芯方法的重大变革，与传统的粘土砂卡h 比， 树脂自硬砂有如下特点：是能够显著提高铸件的表面质量和尺寸精度，降低铸件 废品率“。”3 。见表1 2 “树脂砂与粘土砂生产铸件的质量别比”。 表1 2 树脂砂与粘士砂生产铸件的质量对比 表面粗糙度( um )尺、j 精度( c t )废品率( ) 铸件类型 树脂砂粘七砂树脂砂粘土砂树脂砂粘土砂 1 1 铸钢件2 5 5 05 0 l o o9 1 1 5 1 3 铸铁件 2 55 08 1 01 0 1 2 8 二是砂型、砂芯浇注后溃散性相当好，大为减少铸件的落砂和精整的上作量， 能明湿减少清理车间的作业而积。 三是型芯砂在可使用时间内流动性好，可在较小的紧实力作用f ，较好地充填 形状复杂的型、芯内1 空g - l l 砂型，从而可大大减轻工人的劳动强度，提高型芯的密度 与均匀性，提高型、芯的质量和生产效率，明显降低车间内部的粉尘含量，改善工 人的作业环境。如粘土砂车问粉尘含量可高达每立方米几百毫克，而树脂砂车f n j 一 般可降低到5 r a g i n5 以下。 由上所述，树脂砂铸造这种生产方式得到全世界铸造行业的认可，其推广普及 进度也很快，据统计在8 0 年代初期，美国铸造生产中采用树脂砂的厂家占行业的 6 0 。日本用树脂自硬砂生产的铸件占铸件总产量的4 0 ，其中粘土丁二型砂已被树脂 自硬砂所取代。欧洲各圈的树脂砂发展f i 很快，大型铸件、复杂铸件基本采用树脂 砂生产方式。到了9 0 年代已基本上全部进入树脂砂铸造时代，其中柴油机机体全 部采用酸固化的呋喃树脂自硬砂铸造。 相比之下，由于我圉机械工业比较落后，对铸造行业的重视程度不够，在 年代以前，几乎仍采用粘土砂工艺生产，到了8 ( ) 年代，随着我固机械工业的迅速 发展和铸件出口贸易的不断增加，铸件越米越复杂，外观质量要求越来越高，尺寸 精度要求也越来越高，为此促进了树脂砂的发展，讷：多厂家已开始生产树脂砂铸件， 同时机械1 ：业部结合铸造工艺技术改造，在8 0 年代末先后引进了j l t t t 树脂自硬砂 的成套专用设备，建立了一批呋喃树脂自硬砂生产线，在我国树脂白硬砂发展最快、 用量最大的当属机床行业。到“八五”期间，机械工业部机床局已把推广应用树脂 砂列为重点技术改造项同，并取彳导了明显效果i 。 第4 页 工程硕士学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂【一部设计、工艺研究j 设t 尽管如此，在其它行、j p 的铸造生产中仍末形成树脂砂t f 常化牛产。为此1 9 9 1 年困 家经委原机械电子工业部将呋喃树脂自硬砂列为重点推广项目，责成机械工业部沈 阳铸造研究所、， i 国铸造材料公司等许多单位组成树脂自硬砂推广组，经过儿年的 努力，中小型铸件采用呋喃树脂自硬砂的发展速度很快，但在复杂的大型铸件方面， 由于产品项目少、产量低，一直没有较大的发展，其铸造工艺也没有成熟的经验。 在树脂砂铸造厂家不断增加，树脂等原辅材料基本在国内形成成套技术以后，原铁 道部工、k 总公司下属各铁路机车厂对树脂白硬砂的系统工程有了进一步认识后，在 8 ( ) 年代末和9 0 年代初，也不同程度地逐步采用树脂砂生产方式进行铸造，球墨铸 铁机体树脂砂整体铸造也就是在此时随之正式起步。可以晚，是优质、高效、低耗 以及降低污染和劳动强度的树脂自硬砂给国内古老的铸造业带来了新的生机和活 力，树脂砂的应用引发了铸造生产工艺的一次革命。 铁路机车的柴油机机体是一利，结构相当复杂的大型铸件，随有树脂自硬砂这种 先进的生产方式做支持，但要想研制出套相对科学的铸造方案、工艺，并使整铸 机体真正实现商品化、规模化生产，还是相当困难的，为此以大连机车车辆厂、戚 墅堰机车厂、青岛四方机车厂为代表的二家工厂均对柴油机整铸机体的树脂砂工艺 进行了人量的研究和试验，并进行多次试制，取得了一定的进展。但在很多工艺方 面仍有不足之处，特别是铸造工艺方案、铸造收缩比、尺寸精度等方面仍没有得到 成功。在批量生产多品种柴油机整铸机体方面的没备能力、生产布局仍为空白。为 了使柴油机球墨铸铁整铸机体能够尽快获得成功，并且转为商品化、规模化生产， 以满足新开发的铁路内燃机车柴油机的需要，铁道部原中国铁路机车车辆工业总公 司在1 9 9 7 年首次投资4 6 0 0 万元，时原大连机车车辆厂铸造分厂进行以整铸机体为 主的树脂自硬砂技术改造，彻底取消粘土砂工艺，使其工艺装备水平达到9 0 年代 初国际先进水平，司时大连机车车辆厂投资1 2 0 0 万元，进行球墨铸铁整铸机体工 艺研究、试制及相应工装制做，并委托机械工业部第六设计研究院与大连机车车辆 厂进行联合工程设计，由大连机车车辆厂独立完成2 8 0 系列和2 4 0 系列新型柴油机 球墨铸铁整铸机体的t 艺研制、试制及批量投产的各项工作，从而使本课题的研制 t 作走向有计划的正式轨道，为今后的研制工作打下了良好基础“”“。 1 3 本课题的研究目的和内容 当今国内外已应用于牛产的树脂白硬砂，按树脂的固化方法可分为三个系列， 即酸固化的呋喃树脂自硬砂，酯固化的水溶性碱性酚醛树脂自硬砂和酚醛尿烷树脂 自硬砂，其中国内外用于大功率柴油机整铸机体生产方式基本全部采用第一系列的 酸固化的呋喃树脂自硬砂，因此，有关酸固化的呋喃树脂白硬砂的自身特性及配比 第5 负 丁程硕士学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂r 部设计、：i ：艺研究与设计 已达到成熟技术水甲，奉课题1 i 再深入研究，木课题的研究方案足：采用先进的酸 固化呋喃树脂为大功率柴油机整铸机体的生产方式，通过树脂砂r 艺技术改造，使 警铸机体商品化生产能力达到年产4 0 0 台的规模生产；通过深入系统的工艺研究设 汁，建立一整套科学、合理、适应、简捷、高效、系统、完整的整铸机体铸造工艺， 使整铸机体这一产品达到商品化铸造水平。 根据国内外整铸机体的研制和生产现状本课题将做以下主要工作： ( 1 ) 铸造工艺方案分析确定； ( 2 ) 年产4 0 0 台整铸机体的设备配旨和铸造生产丁部设计； ( 3 ) 铸铁整铸机体铸造工艺工装系统设计； ( 4 ) 针埘整铸机体铸件尺寸精度这一关键技术进行分析、研究，对型、芯、砂 箱进行三维坐标定位法设计。 在广泛对闭内外实地考察调研和可行性分析论证的基础上，我们通过工艺试验， 采用双层芯铁管解决o1 3 0 x d 2 0 0 冷却水道和中1 0 0 x 4 0 0 0 润滑油道的芯子的深孔铸 造难题，采用优质涂料与特种工艺解决铸件清理问题，确保其尺寸合格。通过理论 分析与实际工艺试验，确定合理的机体树脂砂铸造造型制芯工艺与工装的设计制造； 原铁水的熔练与球化工艺；浇铸工艺与机体热处理t 艺；选用适合大批量生产的整 铸机体树脂砂铸造设备，尤其是完成自动制芯线的设计制造与调试使用；编制机体 造型制芯合箱浇铸的质量保证体系与工艺规程并确保实施；达到二l _ _ ：艺先进，技术领 先：形成一套完整的适合于机体大批量生产的树脂砂工艺与装备，使机体的化学成 分，金相组织和各项机械性能符合产品技术要求；水压试验合格。其中尺寸公差达 到g b 6 4 1 4 - 8 6 中的c t 8 一c t 9 ，重量公差达到g b t 1 1 3 5 卜8 9 中的c t 8 级，金相组织中 石墨的球化率达到2 3 级。项目完成后，将实现年产4 0 0 台整铸机体，工艺与装备 均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 的大型球铁机体生产基地。“”1 。 前6 琰 i j 程硕士学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 2 年产4 0 0 台树脂砂整铸机体的工部设计 2 1 概述 大连机车车辆厂是铁道部生产内燃机车的大型介业，为满足我因铁路“货运重 载，客运高速”的发展要求及内燃机车产品、部件“上质量、上水平、上档次”的 需要，为使工厂铸造水平卜一个新台阶，尽快与国际先进水平接轨，人连机车车辆 厂铸造分厂将全面进行树脂砂技术改造，引进九十年代世界树脂砂先进技术与设备， 采用树脂砂先进j r 艺生产内燃机车铸铁件，淘汰落后的粘土砂干型和湿型工艺的生 产方式，为实现柴油机机体的结构优化设计、机体多功能一体化设计打下铸造r 艺 基础。为整体提高内燃机车柴油机技术水平创造条件。同时为整铸机体生产工艺创 造有利条件。采用树脂砂铸造工艺后町实现清洁生产工艺，可提高铸铁件的产品质 量和生产效率，是保证铸件表面质量和尺寸精度的先进生产方式。 2 i 1 设计依据 中国铁路机车车辆工、l k 总公司关于大连机车车辆厂铸铁车间树脂砂转产改造 可行性报告的批复。中车技改 1 9 9 7 4 9 号文件和大连机车车辆厂工艺 1 9 9 7 8 8 号文件关于呈报铸造分，+ 树脂砂转产技术改造初步设计的报告，大连市劳动、卫生、 环保部门对本项目的批复意见。 大连机车车辆厂设计处提供的1 2 7 2 8 0 、1 6 v 2 4 0 系列柴油机机体产品图纸与技术条 件，大连机车牟辆厂铸造分厂有关工艺布局、厂房等基础资料。 2 1 2 车间现状 人连机车车辆厂铸造分厂厂房建于1 9 5 8 年，呈“山”字结构，其总建筑面积为 1 7 1 3 8m 2 ，其用于直接生产而积为1 2 3 9 6m 2 。主跨为3 跨，长1 8 0 m ，跨度分别为2 4 m 、1 8 m 、 1 8 m ，副跨为4 跨，长6 6 m ，跨度均为2 4 m 。 厂房内主要设备为l l 台桥式吊车，3 t 、5 t 工频电炉各两台，一台落砂机， 以及粘土湿砂型造型制芯设备若干台。 技术改造前，车间生产方式为粘土湿、干砂型铸造工艺，年生“：纲领为4 2 0 0 1 、， 主要产品为曲轴、气缸盖等内燃机车铸铁件。 第7 负 工程硕士学位论文 人型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 2 2 技术改造主要原则和内容 2 2 1 主要原则 ( 1 ) 根据工j 的整体规划，按中国铁路机车车辆工业总公司生产纲领对铸铁车 间进行采用先进的树脂白硬砂工艺和设备的现代化技术改造。其上艺水平和装备水 平应具有九十代中期国内外先进水平。 ( 2 ) 根据车间现状作出合理技术改造和工艺区划布置，力求工艺流程相对合理。 并作到技术改造不影响现有生产。 ( 3 ) 为保证生产稳定和设备的先进性、可靠性，对重要和关键设备从国外引进。 ( 4 ) 尽可能利用现有厂房设备和位置，来满足技术改造后的生产需要，以节省树 脂砂改造费用，缩短技术改造时问 ( 5 )贯彻执行国家有关环境保护、劳动安全卫生等方面的法规，执行设计施工 投产“三同时”制度。 2 2 2 主要内容 根据铸件牛产特点和车间整体布局现状调整i 一艺流程，将生产区域划分为“二 个生产丁部、一条线、：个中心”即机体工部、曲轴工部、气缸盖等中小件造型浇 注线及制芯中心，砂处理中心。 本文重点讨论的是机体_ ：i 二部的造型制芯区、合箱浇注区等有关机体工部的设 训。 2 3 攘铸机体生产纲领与设备配置生产率 中幽铁路机车车辆总公司文件，巾车技改 1 9 9 7 4 9 号文件，关于大连机车车 辆厂铸造分厂树脂砂转产改造可行性报告的批复中，原则同意大连机车车辆厂 树脂砂转产改造可行性报告的技改方案，考虑产品缔构调整与集团内专、化生产， 连1 生产的机体将供应北京二七机车厂l l o 台，其改造后整铸机体生产纲领如下： 生产纲领：年产4 1 0 台整铸机体 产品名称：( 1 ) 2 4 0 2 7 5 系列整铸机体 ( 2 ) 2 8 0 3 2 0 系列整铸机体 丰产品1 2 v 2 8 0 z j 、1 6 v 2 4 0 z 整铸机体 主产品毛重8 2 盹浇注量l o 吨 年产整铸机体：8 2 吨x4 1 0 = 3 3 6 2 吨 帑8 页 ： 程硕士学位论文 人型整铸柴油机机体树脂砂j ：部设计、；1 2 艺研究与设计t 全年工作日：2 5 4 天 生产率：1 6 台天 设备配置生产率：考虑到废品率、设备停修率、型芯损坏率和工作准备等冈素 设备配置生产率定为每天2 台铸造机体。 2 4 整铸机体工艺方案确定 人型整铸机体的工艺方案确定是生产工部设计的先决条件之，它是决定生产 工序、流程、区域划分、设备配置的主要因素。同时也是整铸机体 艺设计的基础， 方案的先进合理与否是成败的关键。 目前国内外铸造行业对于整铸机体一类的人型复杂铸件，其铸造t 岂方案只有 两种。一种是整体组芯铸造工艺方案，其优点是不需对工装投资很多、上马快，其 缺点是砂芯过多，又没有固定基准，难以保证铸件的尺寸，铸造机体毛坯加工量超 大，虽然投入生产快，但单位生产周期长，且容易产生涨箱和废品，生产、浇泞、打 箱过程0 i 但占地面积大，而且作业现场脏、乱、差，不懈于清洁文明生产。虽然此 种铸造工艺方案优点少缺点多，但此种铸造方案至今仍被国内外铸造厂家用于尺寸 要求不高的单件生产，甚至为小批量牛产，欧洲一些铸造厂采用较多。分析证明， 这一铸造工艺方案对于年产4 0 0 台整铸机体的生产基地的工部设计来说，我们认为 此方案是不可取的。第二种铸造j i ：艺方案是砂箱组芯铸造方案，其中有f 本铸造行 、i k 的时箱组芯工艺方案和国内的分箱劈模工艺方案。其中对箱组芯工艺方案主要是 用于“l ，型中等柴油机机体的铸造，根本不适合“v ”型柴油机整铸机体的分模分 芯。而分箱劈模工艺方案在国内均采用六箱劈模工艺方案，其优点有：可人大减少 砂芯的数量，大约为l 3 ，有一定尺寸定位基准，可基本保证铸件的尺寸精度、生 产周期短，不易产生涨箱和废品，生产、浇注、清铲现场清洁、占地面积小，可实 现造型、制芯、组芯、合箱同步并行生产，砂芯可由小变大，便于机械化生产。缺 点是投入1 二装费用大、投产较慢，劂此我们认为这种铸造工艺方案虽有一定的缺点， 但它的确适应于批量大型整铸机体的生产。但经过我们的深入调研，分析发现，此 铸造i ! 艺方案仍有很多自身的缺点：+ 是侧箱面积过大，一般在1 1 r e x 4 2 m ，在浇 注的球化膨胀中和机体落砂振动中侧砂箱变形较大，如报废侧箱资金浪费过大，不 报废则严蕈影响后继铸件的尺寸，且易产生跑火。二是侧箱面积过大，占地面积过 大，在砂j 忘吊装中不易操作，速度慢、质量差，且人要到砂箱上面操作，经常会由 二不易操作而产生吊芯尺寸误差，并影响砂型砂芯表面质量，进而会影响到最终铸 件尺寸形状与表面质量，严重时会导致柴油机机体凸轮轴腔的尺寸偏筹过大而报 废。三是侧箱面积过大，在合箱中口j 操作性和可控性较差，侧砂箱寸起合箱时左右 第9 页 程硕十学位论文大型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 摆动，很难保证与主砂箱的平 j 二和垂直，在合箱最后会失去可观性，合箱质量无法 检查，如各种皮厚尺寸刈不对，有没有砂芯碰坏等，这些都是造成次品、焊修、废 品的主要原冈。另外还有个缺点是这种六箱劈模对很复杂的整铸机体来晚，无法 实现中间层砂芯的吊装和同定。由于我厂与美国西南研究院及英国里卡多公司联合 丌发的系列整铸机体均比较复杂，如图1 1 “12 v 2 8 0 z j 整铸机体赢体图”。这种整 铸机体在俦造合箱吊芯中都要存侧砂箱中间外插或内插砂芯，因此用六箱劈模铸造 i ：艺方案实现合理铸造工艺设计瞪难较大，我们为了彻底克服六箱劈模铸造工艺方 案中由于侧砂箱过大而造成的各种缺点，以及无法解决侧砂箱中间外插、内插砂芯 的难点，经铸造工艺分析和砂箱结构刚度分析设计，最终提出八箱劈模这- - g , 新性 的铸造工艺方案，如图2 4 “八箱劈模工艺方案砂箱组合图”，这也是目前凼内 砂箱组芯方案中用箱量最多的一个方案。并决定同时在1 6 缸、1 2 缸、8 缸、4 缸的 v 型和l 型整铸机体上同时采用，铸造工艺方案的创新改变必将为铸造工艺的进步 打下良好的基础，为最后的铸件质量等级带来一个飞跃。因此，铸造分厂的机体工 部平面布局的合理性，工艺流程、生产手段和设备配置，均要以八劈箱铸造工艺方 案为设计和配置的基础”。 图24八箱劈模工艺方案砂箱组合图 第l o 负 工程硕士学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设训 2 5 生产工序与工艺流程设计 采用八箱劈模新的铸造工艺方案后，经过生产全过程设计，其生产工序和i 艺 流程如图2 j “铸造机体生产工艺流程图”。 。：k ! 铁水溶化、处理、浇注i ! 。芝，一 f 兰竺! 兰兰：竺兰兰、竺 图2 5 铸造机体生产工艺流程图 ： 程硕士学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂i ：部设计、工艺研究与设计 2 6 各工序生产手段与设备配置 整铸机体的生产工序多，工艺流程长、短不齐，如何通过生产手段和设备机械 化程度和数量配置来保证每天两台整铸机体的生产率，叭0 需要周密的设计计算，保 证一次成功，下面就主要设备配置进行分析论述。 2 6 1 树脂砂混砂机的配置 按年产4 0 0 件整铸机体计算，平均每天生产2 台铸造机体，通过丁岂分析计算， 八箱劈模铸造工艺方案的砂铁比为l ：2 6 ，则每天的用砂总量为：2 0 8 吨台2 台= 4 1 6 吨，加上砂型、芯废品2 、撤落砂j ，每天的总混砂量为：4 4 5 吨，山 于机体单箱最大用砂量设计为3 8 吨，工艺要求十分钟内填满以防止隔层，敝需选 用生产率为2 5 吨小时的混砂机一台，每天机器工作小时累计为2 小时，由于采用 一班工作制，混砂机的利用率仪为3 0 ，因此该混砂机则必须同时承担制芯与造型的 令部混砂任务，又由于砂箱尺寸较人，砂一占较多，作、j p 面积也无法重叠，这样造成 生产作业面积长达6 0 m ，宽1 2 m ，所以我们决定采用移动式连续混砂机，实现一机 多用。 作为造型作业前的最后一道一序，混砂机无疑是关键的1 艺生产设备，也是t 人操作最频繁、对生产及质量影响最直接的设备。般连续式自硬砂混砂机在结构 上大同小异，但须根据混砂工艺要求及使用粘结剂种类的不同，对相关环节作相应 的调整，以满足工艺要求。因而更应该重视混砂机功能和树脂粘结剂的选择。 工艺适应性是选择混砂机的首要问题。1 ：艺适应性包括粘结剂种类以及加入方 式、砂的种类及加入方式( 新1 1 3 砂比例是否变化、生产率是否调整) 、以及混砂效 果等。就砂的种类及加入方式来讲，生产中有用一台混砂机即混制石英砂，义混制 铬铁矿砂( 比如一一些铸钢件的生产) ，也有在填砂过程中对新】日砂比例进行自动调 整，有的在加入粘结剂之前加入粉状料( 防尘粘砂或提高溃散性) 等，这些均对混 砂机的控制、结构、大臂输送形式等提出了较高要求，有的混砂机山于结构、控制 等满足不了要求造成砂种混杂、定量不准等，从而产生废品，影响生产”1 。 生产实践表明，粘结剂的种类及加入方式是体现混砂机工艺适应性的关键，因 而设备生产，一家必须对用户使用粘结剂的化学成分、性能特点( 粘度、密度、温度 敏感性、腐蚀性能、加入方式、加入量要求) 等有详细的了解。对液料系统的材质 要求就有区别；有的粘结剂的南，度对温度敏感性较强，需要进行恒温控制等等。这 些凶素在混砂机选择时必须予以考虑。混砂效果主要是混砂均匀性、头尾砂多少、 铸型强度等，其重要性显而易见。 第1 2 负 工程颁i 学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 工作可靠性是衡量混砂机质量的主要标准。连续式混砂机直接进行填砂作业， 可靠性的高低直接影响生产效率及生产成本，因而对加工质量、配置水x 艮电气控 制均提出较高的要求。基础元件的可靠性怎样，能否实现良好的人机对话、是否适 应工人素质要求、操作维修是否简单等应该重点考虑。同时由于工人与之接触最多， 安全联锁控制尤为重要，否则易造成安全事故，这是有过血的教训的。为降低造价 而不考虑安全联锁，是对用户及职工人身安全极不负责任的态度。 好的混砂机应能适应不同质量的再生砂，在降低粘结剂消耗的情况下，保证混 砂质量。众所周知，粘结剂加入量的多少是影响自硬砂工艺成本的关键因素，而除 再生砂质量外，混砂机设计水平也对加入量有较大影响。我们知道，自硬砂在再生 过程中一般脱膜率只有4 0 左右，在其以后的输送及运动过程中均会脱膜，加之有 的再生设备本身风选不彻底而造成微粉含量的累加。微粉含量增加，表面积加大， 在获得同样强度要求的情况下无疑会造成粘结剂加入量的增多，砂型透气性降低， 同时还增加牛产成水，这是些厂家粘结剂加入量居高不下、废品较多的重要原因。 实际上树脂加入量增多不仅会增加成本，还会造成一个恶性循环：树脂加入量大一 再生困难一发气量大一增加新砂加入量一树脂加入量加大。因此粘结剂加入量的大 小，实际体现一个车| 1 1 l 的设备水平及管理水平，应引起足够的重视“”。 德幽专利技术在混砂机加入粘结剂之前，增加了一个对再生砂进行二次沸腾除 尘的装置，同时设置了面背砂自动切换装景，很好地解决了微粉含量高、表面积大、 树脂加入量多的问题，提高混砂机工艺保证性的同时，可有效降低粘结剂加入量 ( 1 0 以上) ，既降低了生产成本，又保证了砂型质量，为树脂自硬砂的良好循环打 下基础。采用这种混砂机，一般树脂加入量在0 9 以下即可满足型芯制做和浇注强 度要求，每吨铸件的节约成本6 0 元左右。其设备如图2 6 1 “德国f a t 公司生产 的2 5 t 移动式混砂机”。 图2 6 1 德囤f a t 公司生产的2 5 t 移动式混砂机 螭1 3 负 工程硕士学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂一i 一部设计、：艺研究_ 设计 2 6 2 关于自硬砂再生设备成套配置 按年产4 0 0 件整铸机体计算，平均每天生产2 台铸造机体，根据树脂自硬砂的 工艺特点，我们认为自硬砂再生设备选择，是以自硬砂一艺在适应生产规模及成本 控制条件下生j ”出高质量铸件为目的。自硬砂再生系统一般由破碎、再生、风选、 调温以及与之配套的输送及除尘系统组成，根据不同的 l - s “及工艺要求做一些相应 的增减。 近2 0 年来，我围的自硬砂再生设备有了较大的发展，从最初的仿制日本技术， 到后米的引进欧洲技术、展开技术合作并通过生产实践得以不断改进，现基本上满 足生产工艺要求。目前国内市场上流行的设备，如果按技术类别分，基本上可分为 h 本太阳技术、日本新东技术、德国f a t 技术、德困克莱茵技术、意人利t m f 技术 等几个类别，或根据工艺要求及生产厂家的不同而采用几种技术的组合。 自硬砂再生费用是影响铸件成本的一个主要因素，在选择设备时，应考虑使用 成本。自硬砂再生费用主要由能源消耗、维修费用、砂回收率等组成。般用户往 律忽略前两项指标对经济效益的影响，而单纯追求设备价格及砂回收率、i ，o t 值等 指标。当然在满足同等技术要求( 能生产出合格铸件) 情况卜- ，出于成本及环保的 要求，砂回收率越高越好，这是毋庸置疑的。同样选择适当的设备，在满足工艺要 求的l o i 值及微粉含量的情况下，尽量降低能源消耗、保证设备可靠性、减少维修 费用，无疑具有长远的意义。 首先，再生砂的技术指标应围绕工艺要求进行选择。比如l o i 值是衡量脱膜率 的重要指标，一般灰铁件采用呋喃树脂砂生产，实验证明l o i 值在3 左右完全可以 满足工艺要求，而有的用户则提出2 ，j 以下。而片j 碱性酚醛树脂生产一般铸钢件， l o i 值在2 5 左右则也可以满足工艺要求，而有的用户要求在2 0 ，这无疑会增加 设备投资及再生成本。欧洲人主张把设备和工艺结合起来考虑，一般情况下，多在 工艺上采取措施，比如减少树脂加入量( 确定合理的型芯强度) 及铁砂比、改善浇 注系统及浇注工艺等，以降低生产费用，无疑是聪明的办法。 其次，设备的可靠性及维护费用应引起足够的重视。自硬砂设备的可靠性一般 可以通过加工手段、配置水平及运动部件的多少来判定，当然，用户的介绍更能随 明问题。大家都知道，同样的原理甚至同样的图纸，加工手段不一样、管理水平跟 不上，结果会完全不同。大连某机床厂及烟台某铸造厂原来使用的破碎再生机，均 类似于某德国公司技术，分别由国内两家公司生产，一台不到两个月即开焊， 。台 f i 到二个月即换一次振动电机；而同样的生产条件，济南= 机床7 t ：- s 矗= 的设备连续使 用两年没有任何问题，其中的效益问题不言自明。还比如有的再生机，再生原理决 定其有大最的耐磨易损件，其更换频繁且价格较高，无疑会增加生产成本。i 刊样， 第1 4 页 工程硕士学位论文 大型帮铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究与设计 i 耳生设备中采用大量的运动部件及振动设备 因，设备易出现故障，而影响设备的ic r 靠性 却没有发挥山作用。 而由于作业环境及操作人员索质等原 反而降低生产效率，增加了设备成本 第三，铸造生产本身是能耗大户，在满足工艺要求前提下，尽量减少装机容量， 利用固有资源，对长远经济效益具有重要的意义。随着我困树脂自硬砂工艺技术的 推广，广大铸造工作者在生产实践中积祟了大量的经验。使得树脂自硬砂工艺技术 也越来越成熟、可靠、实用。新上的自硬砂工艺技术项目应吸取先行者的经验教训， 在充分进行工艺论证的基础上合理选择树脂砂再牛设备。 如前所述，呋哺树脂砂工艺应用己比较成熟，非常适用 二一般铸铁件的单件小 批量牛产，如机床铸件、工程机械铸件、矿】l i 机械类铸件、造纸机械铸件、风机泵 体类铸件等等。大量的生产实践证明，只要工艺及管理得当，脱膜率的多少反而不 是关键因素，潍坊某铸造车间l o i 值甚至在4 以上，铸件质量指标一样较好。为保 证铸件质量，这类铸件的生产厂家越来越意识到砂温及微粉含量指标的重要性，实 践证明其时粘砂、气孔等缺陷起着重要的作用。有的厂家甚至提出“脱膜率无所谓、 关键是砂温及微粉含量”这一观点，无疑是生产实践的总结。我公司按德国技术提 供的再生线，用砂块破碎加撞击再生组合，对于这一类铸件的生产非常实用，且投 资少、成本低。当然，如果用呋喃树脂砂工艺还要生产一些薄壁复杂铸件、球铁件 甚至铸钢件，则须对脱膜率进行适当的控制，除上述两级再生外，再增加级强力 磨擦再生，可以完全控制l o i 值。为了保证和满足工艺要求，还要充分了解呋哺树 脂旧砂的特性。 其旧砂有以下特性： ( 1 ) 砂粒上残留粘结剂膜在高温浇注后不能燃烧分解，而形成一种低熔点的硅 酸钠胶牢同地粘附在砂粒表面； ( 2 ) 砂块破碎后，砂粒表面的残留硅酸钠胶、盐等具有很强的吸湿性，而增加 砂粒表面粘度； ( 3 ) 再生砂粒表面上残留的树腊等对再生砂的强度、可使用时i i j j 等有较大影响； ( 4 ) 干法再生前对旧砂进行加热预处理可提高再生的脱膜效果。 这些特点决定呋喃树脂自硬砂的再生较一般自硬砂再生困难，有的厂家没有采 用加热，而是降温再生，再生后砂粒表面残留物较多，再生砂得不到单一砂( 或而 砂) 使用要求，只能作为背砂使用，作面砂时则需加入大量新砂( 如5 0 ) 。实验表 明，树脂旧砂经破碎后，虽不进行特殊加热处理，但保持热砂进行干法再生，所得 再生砂的性能与其加热再生效果相当，粘结强度随砂温度增加而增加。除此之外， 还有一个问题值得注意，那就是再生后的风选调温，由于热砂吸湿性极强，简单的 工程硕士学位论文 大型整铸柴油机机体树脂砂工部设计、工艺研究- j 设i 除伞难以风选彻底，调温过程巾由于温度降低而增加“吸湿”倾_ 而造成砂粒表面 发粘，住处理过程中须采取相应措施，选用设备时应引起足够重视”。”1 。 除砂块破碎机外，再生机及胍选凋温器也是再生系统的主要设备。而除用呋哺 树脂砂工艺生产般铸铁件外，无论采取何种工艺，均需对旧砂进行强力再k 过 太，国内使用较多的是片j 日本技术牛产的离心而，f 机及气流冲击再生机。前者装机 功率大( 每级2 2 k w ) ，易损件多且更换频繁。后者配备大功率的高压罗氏风机，运 行噪声大，易损件多，两种再生机脱膜效果较好，但砂粒破碎较多，造成殴备使用 成本高，再生费用大，使用并不理想。近两年，参考国外技术在软再生基础上升发 生产了强力磨擦再生机，其基本原理是砂子在高密度沸腾状态下，高速旋转的磨轮 纽( 两纽逆向旋转) 对砂了进行不断磨擦，从而获得理想的脱膜效果。磨轮采用硬 质台金喷焊，j 作寿命可达4 0 0 0 小时，“软硬结合”的结果避免了大量易损件的 产牛，提高了设备的可靠性。再生后的砂子粒度更加圆整，脱膜率可达4 0 以上， 而且生产率可根据脱膜率要求任意调整，进一步扩大了工艺适用面，可广泛用于几 种自硬砂的强力再生。国内几家用户使用结果表明效果良好，比之原来的再# 机有 了长足的进步“。 4 i 论对于哪种自硬砂工艺，再生过程中的风选及调温均对铸件质量起着举足轻 重的作用。传统的f = _ 1 本技术，往往只重视脱膜而忽略了风选的重要性，甚至在再生 系统中不配最专用的风选设备，而我国在日