胡華林

(中車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州 213011)

A1601型拖拉機用系列轉(zhuǎn)接座為某國際公司新開發(fā)的大型拖拉機的重要零配件，每臺車的用量為4只（Ⅰ、Ⅱ型左右各1只），其最大外形尺寸為：1118mm×1108mm×474mm。該產(chǎn)品原為焊接件，經(jīng)對技術(shù)性、經(jīng)濟性等方面綜合評估后改為鑄件，鑄造工藝性比較差，鑄件材質(zhì)為ASTM A536 65－45－12（抗拉強度 Rm≥450N/mm2；屈服強度Rp0．2≥310 N/mm2；伸長率 A≥12%），重約 550kg。

該系列產(chǎn)品的主要壁厚較厚大，達100mm以上，但最小壁厚僅為10mm左右，鑄件需經(jīng)解剖檢查且不能有任何鑄造缺陷存在，鑄件加工前不需要劃線，直接使用夾具進行加工，其尺寸精度要求比較高，此外，鑄件加工面較少，其表面質(zhì)量要求也很高。

1 產(chǎn)品鑄造工藝性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該產(chǎn)品設計原型為焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，轉(zhuǎn)為鑄件后，所需砂芯比較多、造型起模困難、局部結(jié)構(gòu)還易引起裂紋、縮孔等鑄造缺陷的產(chǎn)生，鑄造工藝性比較差，我們從鑄件的壁厚、鑄件壁的聯(lián)結(jié)、加強筋的厚度和分布以及最小鑄出孔等方面進行了鑄造工藝性分析，并針對不合理的結(jié)構(gòu)提出了改進建議，客戶設計師充分采納了我們的建議，并對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，鑄造工藝性得到提高。

2 鑄造工藝方案的確定

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，擬采用呋喃樹脂自硬砂進行造型、制芯，砂型采用造型線制作，砂芯則手工制作。

圖1 轉(zhuǎn)接座產(chǎn)品圖

圖2 砂芯分塊

產(chǎn)品圖紙要求圖中深色區(qū)域（見圖1）不能有任何鑄造缺陷存在，而這些部位又多為大平面，因此應將其放置在澆注位置的底部或側(cè)面，以避免產(chǎn)生砂眼、氣孔和夾渣等鑄造缺陷[1]。而內(nèi)部結(jié)構(gòu)則采用蓋板砂芯形成，砂芯的分塊可采用兩種方案。圖2上所示為第一種方案，蓋板芯大芯分兩半制作，其優(yōu)點是制芯時舂砂比較方便，能確保型腔各個部位的砂舂緊，砂芯的翻身也比較容易，但其缺點也比較明顯，下芯時砂芯難以吊平，而且容易擦砂并掉入型腔，易產(chǎn)生砂眼缺陷，同時砂芯之間的披縫會導致清理工作量的增加，表面質(zhì)量也受到不利影響。而下圖所示的方案二，蓋板芯大芯采用整體制作，雖然砂芯翻身比較困難，但可通過使用簡易工裝予以解決，其優(yōu)點是：砂芯尺寸精度提高，下芯時砂芯容易吊平，下芯時擦砂掉入砂芯芯座下部的集砂槽內(nèi)，可確保型腔的清潔，避免砂眼缺陷的產(chǎn)生，同時砂披縫的減少降低了清理工作量，表面質(zhì)量也得到提高。綜合考慮后，采用方案二進行砂芯的分塊。

因該產(chǎn)品材質(zhì)的屈強比很高，熔煉上有一定的難度，若按國標抗拉強度同等級材質(zhì)生產(chǎn)，其屈服強度難以達到要求，而按屈服強度同等級材質(zhì)生產(chǎn)，則抗拉強度又太高，因此應找到一個合適的平衡點?；诮?jīng)驗總結(jié)和工藝試驗結(jié)果，合理確定了鐵液化學成分，除五大元素的合理控制外，還加入了適量的銅，后期的鐵液處理則采用專用球化劑進行球化處理，采用長效孕育劑分多次進行孕育處理，以確保各項性能達到要求。

3 凝固數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

利用三維幾何造型工具Creo Parametric軟件將A1601轉(zhuǎn)接座鑄件及其澆冒系統(tǒng)進行實體造型，如圖3所示。導入Procast軟件后，經(jīng)網(wǎng)格處理、初始條件的確定、材料的分配、界面?zhèn)鳠釛l件的確定、添加邊界條件、定義模型的初始溫度、計算參數(shù)的確定等一系列處理后進行模擬計算。

圖3 轉(zhuǎn)接座鑄件及其澆冒系統(tǒng)實體圖

圖4 流動場計算結(jié)果

3.1 流動場模擬計算結(jié)果分析

流動場計算結(jié)果顯示，從內(nèi)澆道進鐵開始直至冒口澆滿，整個充型過程均處于平穩(wěn)狀態(tài)，無紊流、卷氣等不良現(xiàn)象，這說明澆注系統(tǒng)的設計是合理的[2]。

3.2 溫度場及收縮缺陷的預測

圖5 溫度場計算結(jié)果

從溫度場計算結(jié)果（圖5）可看出，圖中圓形所示部位存在縮孔、縮松缺陷的可能性比較大。從結(jié)構(gòu)上分析，這些部位壁厚較大、熱節(jié)模數(shù)大、凝固時間長，再加上樹脂砂蓄熱系數(shù)小、散熱條件差，又使得冷卻條件更差，易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷和石墨畸變之類的組織缺陷，導致力學性能低下，不能滿足其運行條件。為了確保這些部位的質(zhì)量，我們設計了外冷鐵，以加快這些部位的凝固冷卻速度，避免球化、孕育的衰退，最終獲得致密的、力學性能較好的組織[3]。

為驗證其可靠性，利用PROCAST軟件重新進行模擬計算，結(jié)果表明，設置外冷鐵后產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的可能性被消除，如圖6所示。

4 生產(chǎn)實施及操作細節(jié)優(yōu)化

大砂芯制芯時上頂板反面部位圓凸臺內(nèi)側(cè)空間較小(如圖7所示)，特別是圓凸臺部位放置冷鐵后該部位的砂更加難以舂緊，后采取將上頂板部位大活塊翻身，先將該部位的砂型舂緊制作好，待硬化后再翻身置入芯盒內(nèi)，整體制作大砂芯，確保了該部位的砂型特征完整、緊實度也比較高，鑄件澆注后形狀圓滿，不容易產(chǎn)生粘砂現(xiàn)象。另外，由于幾種轉(zhuǎn)接座的小砂芯結(jié)構(gòu)相似，為避免下錯芯，特在砂芯上增設了防錯限位芯頭，確保了鑄件結(jié)構(gòu)的準確性。

采用該工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)接座鑄件，經(jīng)超聲波探傷檢查、樣品解剖檢查、理化性能檢查和機加工等驗證，滿足驗收條件的要求。至目前為止，已生產(chǎn)轉(zhuǎn)接座二百多只，其中僅有2只因澆注溫度低造成冷隔缺陷而報廢，廢品率低于1%。

在實際生產(chǎn)中，按PROCAST軟件模擬驗證過的鑄造工藝進行鑄件生產(chǎn)，模擬分析有縮孔、縮松缺陷傾向的部位設置了外冷鐵，加快了這些部位的凝固，使得內(nèi)部組織致密。

實際生產(chǎn)中還對具體操作細節(jié)進行了優(yōu)化，

5 結(jié)論

（1）A160型拖拉機用系列轉(zhuǎn)接座產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，鑄造工藝性得到提高。

圖7 大蓋板芯上頂板部位結(jié)構(gòu)

（2）采用PROCAST軟件凝固數(shù)值模擬優(yōu)化后的工藝進行生產(chǎn)，可避免厚大部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，可確保鑄件內(nèi)部組織致密。

（3）合理的砂芯分塊和優(yōu)化的操作細節(jié)，可提高生產(chǎn)操作的可靠性，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時也降低了生產(chǎn)成本。