李章新，鄭建斌，張 祥，張志清

（福建興航機(jī)械鑄造有限公司，福建長(zhǎng)樂(lè) 350203）

縱梁封板成型模具是用于生產(chǎn)車輛底盤縱梁封板，要求相對(duì)不高的民用載重汽車的縱梁封板成型模具制作多采用分塊制作，組裝拼接而成。但軍用特種載重汽車對(duì)車輛底盤縱梁封板要求極高，軍用12.5m縱梁封板成型模具是目前國(guó)內(nèi)第一家獨(dú)立設(shè)計(jì)制造的、最長(zhǎng)的、整體壓制的模具，壓力機(jī)噸位達(dá)6300t.其使用狀況決定了縱梁封板成型模具不但需要有很高的機(jī)械性能，而且需要有較高的沖擊性能和反復(fù)使用性能。因此，縱梁封板成型模具鑄件組織必須致密，整體有良好的鑄造內(nèi)在質(zhì)量，無(wú)鑄造缺陷，鑄件必須符合JB/T5000.14-2007Ⅱ級(jí)磁粉探傷及超聲波探傷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性及技術(shù)要求入手，通過(guò)工藝方案的確定，工藝參數(shù)的選取，生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制等方面對(duì)縱梁封板成型模具的工藝技術(shù)、過(guò)程控制進(jìn)行了探索性研究和針對(duì)性實(shí)踐，取得良好效果，為類似鑄件的生產(chǎn)，積累了一些新的工藝參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 技術(shù)條件及結(jié)構(gòu)工藝性

鑄件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.1 輪廓尺寸、化學(xué)成分及機(jī)械性能

長(zhǎng)度12500mm、寬度1380mm、高度580mm，工作面12500mm×720mm×280mm，結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱、前后對(duì)稱。模具材質(zhì)為ZG270-500，毛重約42t.主要化學(xué)成分及機(jī)械性能如表1、表2所示。

1.2 主要技術(shù)要求

1）縱梁封板成型模具必須整體鑄造成型，機(jī)械性能應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)GB/T33522—2009要求。

2） 工作表面按機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T5000.14-2007）進(jìn)行磁粉探傷檢查，探傷等級(jí)Ⅱ級(jí)，所有位置均按機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T5000.14-2007）進(jìn)行超聲波探傷檢查，探傷等級(jí)Ⅱ級(jí)。

圖1 縱梁封板成型模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 主要化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 主要機(jī)械性能

3）鑄件應(yīng)充分考慮其收縮量，鑄件所有加工面均需放置加工余量，鑄造公差按JB/T5000.6-2007 CT14級(jí)執(zhí)行。

4）鑄件應(yīng)進(jìn)行熱處理，消除應(yīng)力，消除魏氏組織，改善晶粒組織結(jié)構(gòu)。

1.3 鑄造工藝性分析

縱梁封板成型模具鑄件具有四個(gè)顯著特點(diǎn)：

1）長(zhǎng)度特別長(zhǎng)，達(dá)12.5m，是我公司成立以來(lái)承制生產(chǎn)的最長(zhǎng)鑄件；

2）質(zhì)量要求特別高，縱梁封板成型模具工作中要承受6300t較大工作載荷，因此鑄件不能有裂紋、砂眼、氣孔、縮孔等缺陷，需進(jìn)行磁粉和超聲波探傷檢查；

3）泥芯特別多，成型模具不僅自身泥芯多，而且造型方式主要以組芯造型為主；

4）重量特別重，鑄件凈重達(dá)42t，鋼水重量達(dá)66t.

這4個(gè)特點(diǎn)，給鑄造工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)組織帶來(lái)了以下3個(gè)方面難題：

1）鑄件尺寸及形狀控制難度大。由于成型模具長(zhǎng)度長(zhǎng)，長(zhǎng)度方向鑄件阻礙較大，而且存在較多可能影響鑄件變形因素。

2）容易出現(xiàn)鑄造缺陷。由于模具又長(zhǎng)又重，而且泥芯又多，凝固收縮阻礙較大，冷卻過(guò)程應(yīng)力大，澆注過(guò)程中伴隨有大量氣體產(chǎn)生等。鑄造生產(chǎn)過(guò)程控制不到位，就容易產(chǎn)生裂紋、掉砂、澆不足、氣孔、夾砂等鑄造缺陷。

3）縱梁成型模具鑄件長(zhǎng)寬之比達(dá)9，屬于超長(zhǎng)、輪廓較復(fù)雜類鑄件，鑄件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性較差，局部位置的壁厚差別懸殊，厚大部位容易產(chǎn)生縮孔，聯(lián)接部位就易出現(xiàn)縮松、裂紋缺陷，并將嚴(yán)重影響模具的的整體強(qiáng)度和使用壽命。

這些都是12.5m縱梁封板成型模具鑄件生產(chǎn)難點(diǎn)所在，必須在工藝設(shè)計(jì)時(shí)事先予以考慮，在鑄件生產(chǎn)過(guò)程中加強(qiáng)控制。

2 鑄造工藝方案的確定

2.1 確定澆注位置及分型面

澆注位置的確定是鑄造工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到鑄件內(nèi)在質(zhì)量及尺寸精度。在綜合分析了縱梁封板成型模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及公司現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，選取工作面及受力面放入底部和側(cè)面的工藝方案。其優(yōu)點(diǎn)在于：

1）成型模具工作面是處于朝下澆注位置，防止重要面上產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，有利于保證該處內(nèi)在質(zhì)量要求；

2）便于制模、造型、下芯操作；

3）便于合箱時(shí)檢查尺寸；

4）節(jié)省工裝設(shè)備投入，節(jié)能降耗。

澆注位置確定后，選擇非工作面的上平面作為分型面與分模面，見圖2.

圖2 縱梁封板成型模具工藝簡(jiǎn)圖

2.2 確定工藝參數(shù)

1）鑄造收縮率。鑄件的鑄造收縮率包括自由收縮和受阻收縮，一般鑄件大都是受阻收縮，鑄件的收縮率不僅與鑄件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、造型材料有關(guān)，還與鑄件各部分在凝固過(guò)程中所遇到的受阻情況有著密切的關(guān)系[1]。縱梁成型模具收縮率的選擇影響很大，由于該件特別長(zhǎng)，泥芯多，故長(zhǎng)、寬方向收縮阻礙較大，收縮率選為1.7%，而高度方向收縮阻力較小，近于自由收縮，收縮率選為2.0%.

2）加工余量。上表面加工余量定為25mm，下表面加工余量定為15mm，長(zhǎng)度方向側(cè)面加工余量定為30mm，其余定為20mm.

3）分型負(fù)數(shù)。根據(jù)我公司的生產(chǎn)實(shí)際，縱梁封板成型模具的分型負(fù)數(shù)選定為3mm.

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12.5m縱梁成型模具鑄件如何防止其變形是鑄造工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。防止變形的工藝措施較多，如設(shè)置反變形量、設(shè)計(jì)防變形拉筋等。但防止鑄件變形核心在于如何減少或消除鑄造應(yīng)力[2]。因此，縱梁封板成型模具鑄件工藝設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的也是首先考慮的問(wèn)題是如何控制鑄件的凝固方式。對(duì)于材質(zhì)為ZG270-500鑄鋼件為中間凝固方式，通過(guò)采取合理澆注系統(tǒng)與冒口、冷鐵等工藝措施，控制成型模鑄件整體趨向同時(shí)凝固，局部仍為順利凝固。鑄件同時(shí)凝固的最大優(yōu)點(diǎn)是鑄件不容易產(chǎn)生熱裂、應(yīng)力和變形。如果能實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固，這種變形將會(huì)小得多[4]。

因此選擇開放式底注澆注系統(tǒng)，采用兩澆包澆注工藝，兩直澆道從縱梁封板成型模具兩側(cè)分別澆入，內(nèi)澆口避開鑄件厚壁厚大部位，從較薄壁的筋板處引入，同時(shí)增加內(nèi)澆道數(shù)目，將鋼水分散引入。

澆注時(shí)間與澆注速度的驗(yàn)算[3]:

這樣的澆注系統(tǒng)，能夠保證充型快速、平穩(wěn)、順暢，有利于夾雜物等雜質(zhì)的上浮，充滿型腔的時(shí)間較為適宜，能獲得輪廓完整、清晰的鑄件，可調(diào)節(jié)鑄型內(nèi)的溫度分布，有利于縱梁封板成型模具鑄件實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固，有利于減少鑄造應(yīng)力，防止鑄件出現(xiàn)變形、裂紋等缺陷。澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見圖3.

圖3 縱梁封板成型模澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.4 冒口的設(shè)計(jì)

此件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上平面較大，而且熱節(jié)點(diǎn)較多，壁厚存在較大差距?？紤]采用明保溫冒口，加設(shè)外冷鐵方式，以達(dá)到良好的補(bǔ)縮效果。縱梁封板成型模具冒口工藝簡(jiǎn)圖如圖4.冒口計(jì)算方法采用模數(shù)法計(jì)算，具體的計(jì)算方法如下：

1#冒口的選取[1]

1#冒口尺寸200mm×300mm×400mm

數(shù)量：4個(gè)，分布在兩端。

2#冒口的選取[1]

2#冒口尺寸220mm×330mm×400mm.

數(shù)量：22個(gè)。

除有冒口進(jìn)行補(bǔ)縮外，還有外冷鐵配合補(bǔ)縮。因此，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，鑄件工藝出品率符合大件鑄鋼件生產(chǎn)的要求，說(shuō)明冒口尺寸和數(shù)量的選擇是合適的。

圖4 縱梁封板成型模具冒口工藝簡(jiǎn)圖

2.5 外冷鐵的使用

1）在局部厚壁處放置外冷鐵，增強(qiáng)冒口補(bǔ)縮[5]。

2）在筋壁“T”字形、“十”字形交接處下方放置外冷鐵，防止裂紋[5]。

3 生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制

3.1 模樣制作

由于縱梁封板成型模較長(zhǎng)，生產(chǎn)數(shù)量?jī)H2件，如果做成實(shí)樣木模將浪費(fèi)大量木料，增加成本?？紤]成型模存在前后、左右對(duì)稱，可以制作成半邊實(shí)樣模加上組芯、蓋板泥芯盒、局部泡沫等方式制模。這種綜合方式不存在拔模斜度，既能滿足鑄件尺寸精度要求，又節(jié)約鋼水、木材和木模工時(shí)，適宜單件小批量造型，而且造型方法簡(jiǎn)單，型腔質(zhì)量也能得到良好保證。

3.2 造型材料及過(guò)程控制

鑄件的型砂、芯砂均采用CO2硬化水玻璃砂，熱節(jié)圓角部位放15mm～30mm厚鉻鐵礦砂。鉻鐵礦砂具有更高的耐熱性，而且熱導(dǎo)率比硅砂大幾倍，所以在熱節(jié)較大處覆鉻鐵礦砂有利于防止粘砂及裂紋缺陷的產(chǎn)生，有利于提高鑄件質(zhì)量。

成型模采用地坑手工造型，要求先打好一平砂床，平底砂床中間預(yù)埋設(shè)槽鋼或工字鋼加固砂床，保證砂床強(qiáng)度。用水平儀檢查砂床平整度；然后根據(jù)工藝尺寸要求進(jìn)行劃線，根據(jù)墨線位置擺放模樣，舂制外型?？紤]縱梁成型模鑄件特別長(zhǎng)，如果采用砂箱方式制作上箱砂型，對(duì)砂箱強(qiáng)度、剛度要求很高，需增加工裝投入，而且在吊運(yùn)、合箱過(guò)程上箱鑄型容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致鑄件變形。因此，上箱型腔的制作選擇蓋板泥芯方式。

澆道用陶瓷型澆管，內(nèi)澆口附近用鉻鐵礦砂，增加砂型耐火度及強(qiáng)度。由于縱梁封板成型模鑄件形狀復(fù)雜，為防止?jié)沧⑦^(guò)程中造成粘砂，提高型腔、泥芯的抗粘砂能力，在型、芯表面均勻涂刷與型砂性質(zhì)相匹配的、耐火度較高的醇基鋯英粉涂料，涂料厚度不小于1.0mm.

壓鐵重量要足夠，放置時(shí)注意對(duì)稱、均勻、穩(wěn)固。

3.3 冶煉澆注

熔煉設(shè)備為5t、10t、15t中頻爐及20t保溫爐，鋼水需66t，鋼水經(jīng)LF精煉爐精煉后，鋼液脫氧、雜質(zhì)去除干凈徹底，鋼液中磷、硫成份控制到較低限，防止縱梁封板成型模具鑄件的冷、熱裂紋傾向。

縱梁封板成型模具澆注溫度設(shè)為1530℃，澆注時(shí)2個(gè)包孔同時(shí)打開，使鋼液快速平穩(wěn)地充滿型腔，保證鋼水低溫快澆，減輕高溫金屬液對(duì)鑄型頂部長(zhǎng)時(shí)間烘烤，有效防止鑄件產(chǎn)生鑄造缺陷。

當(dāng)鋼液恰好上升到冒口300mm左右時(shí)，將鋼液包從冒口上部進(jìn)行點(diǎn)澆冒口，點(diǎn)澆進(jìn)行一次后，將冒口保溫覆蓋劑放入冒口內(nèi)，將冒口表面覆蓋好。這樣鋼液消耗少，補(bǔ)縮效率高，且保證鑄件的化學(xué)成份不容易變化。

3.4 熱處理

由于縱梁封板成型模性能要求高，因此鑄件熱處理工藝采用正火+回火處理，用以消除鑄造應(yīng)力，使內(nèi)部組織達(dá)到機(jī)械性能要求。熱處理操作時(shí)要注意裝爐時(shí)要墊平、墊實(shí)，防止變形；加熱冷卻時(shí)要保證各處均勻。其熱處理工藝曲線見圖5.

圖5 正、回火熱處理工藝

3.5 鑄件清理

鑄件澆注后在砂箱中的保溫時(shí)間須達(dá)到100h以上才能開箱，為防止鑄件產(chǎn)生裂紋、變形，澆注24h后必須對(duì)稱、逐步去掉壓鐵，松動(dòng)砂型、砂芯，以減少鑄件收縮的阻礙，防止鑄件變形及產(chǎn)生裂紋。

4 結(jié)束語(yǔ)

清理完鑄件后經(jīng)檢驗(yàn)，鑄件組織致密，無(wú)鑄造缺陷。粗加工和表面精整后作超聲波及磁粉探傷檢測(cè)，達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求?？v梁封板成型模具是汽車行業(yè)使用的重要模具之一，各行業(yè)應(yīng)用廣泛。通過(guò)該鑄件的成功生產(chǎn)，摸索出了特長(zhǎng)、高要求、9m～12.5m類似模具鑄件的工藝參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為拓展國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，必將成為我公司一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì).鑄造手冊(cè)第5卷，鑄造工藝[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]李魁盛.鑄造工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[3]鑄鋼手冊(cè)編寫組.鑄鋼手冊(cè)[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1973.

[4]王文清，李魁盛.鑄造工藝學(xué)[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[5]李魁盛，馬順龍，王懷林.典型鑄件工藝設(shè)計(jì)實(shí)例[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.