CN85109612A - 曲轴整体一次成型变形电渣熔铸法 - Google Patents

Abstract

一种曲轴整体一次成型的变形电渣熔铸方法涉及特种熔炼方法。本方法在金属凝固成型步骤之前，还包括通过模具的移动所进行的变形成型的步骤。通过活块模具的挤入和模具平移，可在渣池和熔池的交接面完成变形成型，从而扩大了电渣熔铸法的适用范围，特别适合于熔铸形状十分复杂的整体件。而且产品质量高，质量稳定，可成倍地提高生产率，还可节省原材料和能源，成本可降低20—50％。

Description

本发明涉及一种特种熔炼方法，特别涉及一种电渣熔铸方法。本发明是对电渣熔铸法的改进，其不仅具有精炼提纯和凝固成型的特征，而且还具有变型成型的特征。

众所周知，电渣熔铸法是一种把由普通熔炼方法制成的金属电极，置于水冷异型结晶器中，通以电流，借助于熔渣的电阻热将金属电极熔化，熔化了的金属汇聚成金属液滴，穿过渣池进入熔池，在异型水冷结晶器中凝固成异型铸件的方法。由于电渣熔铸法可以直接制造出性能能与用普通熔炼方法生产的金属锻压件相媲美的优质异型铸件，且其设备简单，操作方便，生产期短，毛坯精化，成本低廉，所以已引起国内外的广泛重视，应用范围正在逐渐扩大。至今，已能生产钢管、轧辊、阀体等等各种各样异型铸件。

但是，对于形状十分复杂以及薄壁小件，例如，多拐曲轴、连杆、摇臂等复杂件的电渣熔铸整体成型，尚未见报导。这是由于在电渣熔铸过程中，自耗电极难以插入结晶器的型腔内，而无法进行正常的熔铸之故，这也是该方法的局限性所在。因此，这类复杂件的生产，目前一般采用转铸法或者电渣熔铸加电渣熔接法。采用分段电渣熔铸方法生产整体曲轴，国内和苏联均有报导。此方法是首先用电渣熔铸法制成带有圆形凸耳的曲柄轴臂，然后取出旋转一定角度（根据曲轴各连杆轴颈的分度决定），将凸耳放入原结晶器相应的凸耳孔中，又开始熔炼第二个曲柄毛坯，同时把它同第一个曲柄臂毛坯熔接在一起。重复上述步骤，就可生产出整体而拐数和分度均不受限制的曲轴。另一种是连续熔接上述已炼制成的曲柄臂（曲柄臂上曲柄颈部位先熔成孔），直至形成一根整体曲轴。上述方法由于需要多次熔接，对熔接的热影响区组织有不利影响，低倍可见熔合线，有时还会存在夹杂、气孔、夹渣、未焊透，裂纹等缺陷，故而这部分性能低于其他部分的性能。而这部分恰恰是曲轴工作时的应力峰值区。曲轴的疲劳断裂基本上均发生在这个区域。另外，“农业机械”1978年第11-12期，第55-57页报导了一种电渣熔铸异型拐轴（导向轮轴）的方法，该方法为了熔出不在同一轴线上的上、下轴段，在熔炼时，自耗电极和结晶器也作相对移，以保证电极端部及高温区按一定的路线转移，但没有变形过程。若不作改进，该方法难以熔铸出形状十分复杂的多拐曲轴或者其他复杂件。因为曲轴的曲柄厚度与长、宽之比很小，一般仅1/8-1/4，拐轴为1-1.5，无法进行上述的“转移”。

本发明的目的旨在对电渣熔铸方法进行改进，在熔铸过程中使熔池或者渣池发生局部变形，以克服电渣熔铸方法中的上述局限性，达到整体熔铸出形状十分复杂的产品的目的。

为了实现本发明的目的，本发明在电渣熔铸法中金属凝固成型步骤之前，还包括通过模具的移动所进行的变形成型的步骤。本发明采用二种方式达到变形成型。第一种方式是，在主体结晶器的侧壁上设置一些活块状模具，活块模具在主体结晶器中能够以大体上垂直于主体结晶器轴线的方向作往返移动。主体结晶器一般为对开式的，可以是整体对开式，或是一拐一段对开式，或是多拐一段对开式，视熔铸产品的形状而定。在电渣熔铸过程中，将活块模具挤入相应于曲拐部位的渣池中或者熔池表层中，或者渣池与熔池的交接面，即可形成一个拐。随着熔炼的进行，还可按上所述挤入第二个活块模具、第三活块模具……，直至熔铸成整根多拐曲轴。

活块模具开始挤入的最佳时刻为熔池表面与活块模具下平面刚接触的瞬间，挤入终止的最佳时刻为熔池表面上升到高于活块模具下平面0.03-0.06的活块模具厚度的瞬间。当熔池表面上升至上一拐的下曲柄臂时开始拔出活块模具。拔出过早会影响成型精度，甚至钢液会重新熔穿上曲柄臂，拔出过晚将增大拐颈残余应力以及拔出困难。

挤入活块模具要设计成与变形部位相应的形状。挤入活块模具的宽度B和厚度H应符合以下关系式：

B＝0.8、～1.2d;H≤0.9L

式中：d为连杆轴颈直径;

L为连杆轴颈长度。

如果B＞1.2d，则活块模具挤入困难。倘若B＜0.8d，则主体结晶器的使用寿命会大大地缩短。假如H＞0.9L，则无法满足曲柄臂成型的精度要求。

为了保证挤入的安全和挤入活块模具的使用寿命，活块模具内要用水冷却，而且进水要使用喷管，对中高温死角区，进水压力要比主体结晶器的进水压力高1-2倍。

活块模具挤入和拔出的传动形成式可以是多种多样的现有技术，但是必须保证挤入的力的作用线与连杆轴颈对中。

对于多拐曲轴来说，连杆轴颈（拐颈）分度为180度的，主体结晶器可设计为每拐一段，也可设计为多拐一段，甚至整体一段。分度不是180度的，主体结晶器设计成每拐一段。各拐之间的分度和定位靠外模定位子口和其他装置来保证。

第二种方式是，分段移位。模具按所要述熔铸的曲轴分成若干段（以下称层）。每层模具包括内部结晶器和必要的外模，大体上可按现有技术中所公开的分段熔铸曲轴的结晶器设计。但是每层之间要求既能相互重叠固定，又能作相对水平移动。而且本发明的各层模具中，其高温区和死角区要采用如第一种方式中所述的冷却方式及所要求的冷却水量。熔铸前，先把几层上述的模具重叠在一起。当渣池或熔池、或者渣池与熔池的交接面上升到相应的拐的部位，该层模具对中连杆轴颈作水平移动，开始平移挤入时刻同第一种方式中所述。同时，电极也作同步平移。此后，最低下一层模可以脱出供上面对应层使用。这样，一般只要使用2个拐8层模具，甚至只用1个拐4层模具，就可熔铸出更多拐数的曲轴。

曲柄臂的平衡部位往往会造成成型不饱满，除了可用锻件和铸件允许的焊补方法修复之外。本发明采用熔铸前放入预制镶块（同钢种）的方法，使其在熔铸过程中熔焊在曲轴本体上。

第一种方式通常适用于连杆轴颈长度小于100毫米，曲轴重量小于1吨的各种中、小型曲轴，变形熔铸质量容易控制，变形执行机构较简单，整根曲轴的定位和装配都比较简单，但挤入活块寿命较短，安全条件要求较高，连杆轴颈的成型精度较差。当连杆轴颈长度大于100毫米时，挤入活块可做成多层的由下向上逐层挤入，以减少由于挤入活块H过大带来的困难。

第二种方式通常适用于中、大型曲轴，操作安全条件较宽，成型精度较高，模具较省，但辅助执行机构复杂。

本发明由于增加了变形成型步骤，因此使电渣熔铸法的某些局限性得到了一定程度的弥补，亦即使电渣熔铸法的适用范围有了扩大，特别适合于熔铸形状十分复杂的整体产品。而且，产品质量高，整体曲轴的疲劳强度比分段熔铸曲轴和锻造曲轴提高10%以上，尤其是提高零件工作应力峰值区的性能。另外，产品的耐磨性、抗咬合性也有所提高。产品质量稳定，不会出现分段熔焊法所存在的质量问题。可成倍地提高生产率。还可节省材料和能源，成本可降低20-50%。

以下结合附图和实施例对本发明作更详细地叙述。

附图说明：

图1为曲轴中一个拐的结晶器横截面示意图;

图2-1为2拐曲轴挤拐整体主结晶器与活块模具装配示意图（挤入前）;

图2-2为图2-1中活块模具挤入后示意图;

图3-1和3-2为用活块模具挤拐变形熔铸法整体熔铸曲轴中一拐的挤拐变形过程开始前的示意图;图3-3为挤拐终止状态示意图;图3-4为开始拔出活块模具示意图;

图4-1-1为用分层移位变形熔铸整体曲轴中第三层模具移位变形过程开始前的示意图;图4-1-2为图4-1-1中移动变形终止示意图;

图4-2-1为图4-1-2所述情况之后，第四层模具移位变形过程开始前的示意图;图4-2-2为图4-2-1中移动变形终止示意图;

图4-3-1为图4-2-2所述情况之后，第五层模具移位变形过程开始前的示意图;图4-3-2为图4-3-1中移位变形终止示意图。

实施例1

江西黎川特钢厂熔铸B    J-212北京吉普等小型汽车492发动机曲轴，主轴颈直径64毫米，连杆颈直径为58毫米，曲轴长度为623毫米，曲柄臂厚度15毫米，宽度80-100毫米，材质为45号钢。

参照图1，外模1用于使主体结晶器3定位夹紧，主体结晶器有一个进水口6，一个出水口2;主结晶器3的侧壁上安置挤入活块模具4，活块模具4由进水喷管5冷却;活块模具在专门的导向装置（图中未标）的作用下，以力的作用线与连杆轴颈对中的方向向内挤入和向外拔出;图中向左的空心箭头表示挤入方向，向右的空心箭头表示拔出方向。

按曲轴的拐数，选用多个如图1所示的结晶器，然后依次重叠固定形成一个整体。也可用如图2-1和图2-2所示的整体对开式结晶器3，整体结晶器3的侧壁设置同图1中4一样的活块模具4，其中图2-1为活块模具挤入前的装配情况，图2-2为挤入后情况。

电渣熔铸工艺：

1.渣制度：

渣系：Ca F70%;Al₂O₃30%;

渣量：第一次加入3公斤，熔铸过程分6批加入粉渣，每批0.5公斤。

2.电制度：

变压器：输入380伏、单相150千伏安，三相450千伏安，可有载调压;

熔炼电压：35伏-55伏;

熔炼电流：1800安-2400安。

3.冷却制度：

进水温度：20°-30℃;水压：1-2kg/cm²

出水温度：40°-50℃。

4.工艺要点：

液渣起动，5分钟内提高电流20%。形成渣池的渣面监测，可在结晶器分型面上开孔直接观察和测定，也可用电表指示。参照图3-1、3-2、3-3和3-4，当熔铸进行到图3-1所示状态时，渣池10已进入第一个拐的主体结晶器3中，渣池下面为熔池9，再下面是已凝固的曲轴8。随着电极7的不断熔化，渣池面和熔池面逐渐上升，熔池面的监测，一般采用计算法，即根据自耗电极7的熔化量计算溶池面高度。当熔铸进行到图3-2所示的状态时，亦即渣池10与溶池9的交接面刚好与活块模具4接触时，降低电流20%开始挤拐。达图3-3所示状态时，挤拐终止，此时交接面高于活块模具下表面大约2毫米。当交接面上升到上一拐的下曲柄臂时，即为图3-4所示状态时，开始拔出活块模具。重复上述的步骤，可生产出整体一次成型多拐曲轴，分度为180度。

实施例2

参照图4-1-1、4-1-2、4-2-1、4-2-2、4-3-1、4-3-2，可熔铸出分度不为180度的整体一次成型多拐曲轴。例如江西黎川特钢厂生产的120°分度曲轴，主轴颈直径为65毫米或75毫米，连杆轴颈直径为62毫米，曲轴长度为910毫米或960毫米，曲柄臂厚度20毫米、宽度102毫米或110毫米，材质为45号钢。工艺规范大体上同实施例1所述。不同之处：模具分拐设计，分度靠专用外模和熔铸机保证，当渣池与熔池交接面11经模具M₁、M₂。上升到刚好与M₃下平面接触（见图4-1-1）时开始按空心箭头所示方向平移，同时，电极也同步平移。直至交接面11上升到高于M₃下平面（0.03-0.06）Hp，（Hp-各层模具平均厚度），移位变形终止（见图4-1-2）。当交接面11上升到距M₃上平面（0.03-0.06）Hp时（见图4-2-1），M₄按空心箭头所示方向平移，同时，电极也作同步平移，直至交接面11与M₃上平面平齐，移位变形终止（见图4-2-2）。当交接面11上升到刚好与M₃下平面接触时，（见图4-3-1），M₅按空心箭头方向平移，同时，电极也作同步平移，直至交接面上升到距M₅下平面（0.03-0.06）Hp时，移位变形终止（见图4-3-2）。至此，第一拐已熔铸完毕。以下，可逐步脱去M₁、M₂……，供继续使用。为了保证曲柄臂的平衡部位充填饱满，可在M₆中预先放入预制同钢种镶块A。重复上述步骤，可生产出整体一次成型多拐、分度不为180度的曲轴。

采用实施例1或者实施例2变形电渣整体熔铸成的481、485、492、692、6135等型曲轴与同型号锻造曲轴对比，机械性能示于表1;非金属夹杂物示于表2;成份变化示于表3;金属利用率示于表4。

Claims (12)

1、一种曲轴整体一次成型的变形电渣熔铸法涉及特种熔炼方法，它包括精炼提纯步骤和凝固成型步骤，本发明的特征在于在金属凝固成型步骤之前，还包括通过模具的移动所进行的变形成型的步骤。

2、如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所说的变形成型步骤发生在渣池与熔池的交接面。

3、如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所说的模具是一种活块模具，置于主体结晶器侧壁上，在主体结晶器器壁上以垂直于主结晶器轴线方向作往返平移。

4、如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说的主体结晶器是整体对开式，或者是一拐一段对开式，或者是多拐一段对开式。

5、如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说的活块模具的宽度B₁和厚度H₁应符合以下关系式：

B₁＝0.8-1.2d₁，H₁≤0.9L₁

式中：d₁为连杆轴颈直径，

L₁为连杆轴颈长度。

6、如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说的活块模具用水冷却，进水使用喷管，进水压力比主体结晶器的进水压力高1-2倍。

7、如权利要求1、2、3所述的一种方法，其特征在于所说的活块模具挤入的最佳时刻为渣池与熔池交接面与所说的活块模具下平面刚接触，挤入终止的最佳时刻为渣池与熔池的交接面上升到0.03-0.06H₁。

8、如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所说的模具由多层模具组成，所说的每层模具可重叠固定，每层模具还可作相对平移。

9、如权利要求8所述的一种方法，其特征在于所说的每层模具包括内部结晶器和使内部结晶器定位夹紧的外模。

10、如权利要求1、2、8所述的一种方法，其特征在于所说的每层模具挤入的最佳时刻为渣池与熔池的交接面与所说的每层模具下平面刚接触，挤入终止的最佳时刻为渣池与熔池的交接面上到0.03-0.06Hp。

11、如权利要求8所述的一种方法，其特征在于所说的每层模具用水冷却，进水使用喷管，进水压力比一般高1-2倍。

12、如权利要求8所述的一种方法，其特征在于所说的每层模具相应于曲柄臂的平衡部位，在熔铸前，放入预制同钢种镶块。

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