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        基于數(shù)值模擬的球墨鑄鐵軸承蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)開發(fā)

        2020-02-23 11:47:38畢海香李繼超楊恒遠(yuǎn)于建忠
        金屬加工(熱加工) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:熱節(jié)鐵液冒口

        畢海香, 李繼超, 楊恒遠(yuǎn),于建忠

        1.濰柴重機(jī)股份有限公司 山東濰坊 261108

        2.濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261108

        軸承蓋是柴油機(jī)的重要部件,半圓弧面安裝軸瓦,兩側(cè)的貫穿螺栓孔通過螺栓與機(jī)體聯(lián)接,主要承受爆發(fā)壓力和往復(fù)慣性力作用,質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。

        1 鑄件簡介

        某種柴油機(jī)軸承蓋輪廓尺寸527mm×302mm×118mm,中間最小壁厚25mm,毛坯重量110kg,材質(zhì)QT400-15,要求抗拉強(qiáng)度≥400MPa,屈服強(qiáng)度≥250MPa, 伸長率≥15%, 本體硬度135~185HBW。 關(guān)鍵部位必須做無損檢測,不允許有任何鑄造缺陷。

        2 工藝設(shè)計(jì)及模擬分析

        根據(jù)公司現(xiàn)有條件,采用堿性酚醛樹脂砂工藝造型,并借用了現(xiàn)有砂箱,一箱2件生產(chǎn)。鑄件水平放置、中間分型,采用了開放式澆注系統(tǒng),保證了澆注過程中鐵液充型平穩(wěn),避免形成因鐵液飛濺、裹氣帶來的氧化夾渣和氣孔等缺陷。貫穿螺栓孔直徑40mm,鑒于細(xì)長砂芯極易變形,加工時容易局部缺料,工藝設(shè)計(jì)時決定貫穿螺栓孔不鑄出,而是后續(xù)加工形成。鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 鑄件結(jié)構(gòu)

        澆注溫度高時,鐵液流動性好,有利于夾渣上浮,補(bǔ)縮效果好,但溫度太高也會增大液體收縮量,反而容易形成縮松、縮孔,因此為了平衡產(chǎn)生縮松、夾渣的風(fēng)險(xiǎn),澆注溫度定為1340~1350℃。為避免殘余應(yīng)力,減少組織內(nèi)珠光體含量,從而獲得良好的韌性,澆注完成后型內(nèi)冷卻時間不小于48h,自然時效,不需要去應(yīng)力退火。

        球墨鑄鐵具有糊狀凝固特性。由于這種糊狀凝固特性以及凝固時間較長,造成凝固時球墨鑄鐵件的外殼長期處于較軟狀態(tài),在石墨化膨脹力作用下外殼二次膨脹,松弛了內(nèi)部壓力,容易在鑄件熱節(jié)處形成縮松甚至縮孔,使鑄件的致密性下降[1]。因此,在工藝設(shè)計(jì)時我們重點(diǎn)關(guān)注了縮松問題。

        經(jīng)分析,我們設(shè)計(jì)了兩種工藝方案(見圖2),并利用MAGMA軟件進(jìn)行了工藝模擬分析預(yù)測,如圖3所示。

        方案1:上下全冷鐵工藝,利用冷鐵的激冷效果改變鑄件的溫度場,并利用石墨膨脹自補(bǔ)縮能力解決縮松缺陷。

        方案2:底面冷鐵+頂面保溫冒口工藝,主要利用冒口的補(bǔ)縮能力解決鑄件可能產(chǎn)生的縮松問題。

        圖2 鑄造工藝方案

        圖3 工藝模擬

        從圖3鑄件熱節(jié)分布中可以看出:方案1中熱節(jié)處于軸承蓋心部,呈水平U形分布;方案2中熱節(jié)處于軸承蓋頂部,呈垂直傾斜的錐形。

        鑄件潛在縮松風(fēng)險(xiǎn)分布情況如圖4所示。

        圖4 縮松風(fēng)險(xiǎn)分布及嚴(yán)重度

        從圖4可以看出,方案1中軸承蓋非加工曲面處存在潛在縮松風(fēng)險(xiǎn),預(yù)測缺陷嚴(yán)重度為8.9%~12%;方案2中冒口頸與鑄件連接處存在潛在縮松風(fēng)險(xiǎn),預(yù)測缺陷嚴(yán)重度高達(dá)11%~58%,而且出氣孔根部也存在潛在縮陷風(fēng)險(xiǎn)。

        從模擬分析結(jié)果來看,方案1中的縮松主要分布在軸承蓋非加工面底部,基本處于鑄件心部。本工藝中冷鐵布置改變了溫度場,石墨化膨脹發(fā)揮了作用,起到了自補(bǔ)縮效果;方案2中的縮松主要分布在保溫冒口根部,即冒口頸與鑄件相連部位,且縮松傾向嚴(yán)重,可能是冒口尺寸設(shè)計(jì)不合理,如冒口偏小,會使冒口中的鐵液先于鑄件熱節(jié)凝固,起不到補(bǔ)縮作用,反而從熱節(jié)倒抽鐵液;冒口高度偏小則壓力不足,沒有足夠的動力將鐵液送入鑄件,都會引起鑄件縮松[2]。

        隨后我們改進(jìn)了保溫冒口尺寸并進(jìn)行了模擬分析,保溫冒口尺寸由φ100mm×130mm改為φ120mm×170mm,同時冒口頸由原先的自硬砂制芯改為與保溫冒口配套的標(biāo)準(zhǔn)易割片。模擬結(jié)果(見圖5、圖6)顯示冒口加大后,冒口的補(bǔ)縮作用顯著,將熱節(jié)轉(zhuǎn)移到了冒口內(nèi)部,鑄件內(nèi)部沒有縮松。

        圖5 工藝改進(jìn)后熱節(jié)分布

        圖6 工藝改進(jìn)后縮松分布

        3 生產(chǎn)驗(yàn)證

        按照全冷鐵工藝和改進(jìn)后的保溫冒口工藝各生產(chǎn)了兩箱(見圖7),并進(jìn)行了解剖驗(yàn)證,兩種工藝生產(chǎn)的毛坯全部合格。解剖后鑄件內(nèi)部組織很致密,如圖8、圖9所示。全冷鐵工藝生產(chǎn)的鑄件心部沒有發(fā)現(xiàn)縮松,頂部保溫冒口+底部冷鐵工藝生產(chǎn)的鑄件心部及冒口根部也都沒有縮松。

        兩種工藝生產(chǎn)的鑄件毛坯都合格,但考慮到工藝出品率,最后選用了全冷鐵工藝組織生產(chǎn),到目前為止共生產(chǎn)了20件軸承蓋鑄件,毛坯全部合格。加工了10件,貫穿螺栓孔、側(cè)拉螺栓孔及潤滑油孔內(nèi)均無縮松,無損檢測滿足要求。

        圖7 生產(chǎn)驗(yàn)證

        圖8 全冷鐵工藝解剖

        圖9 改進(jìn)后冒口工藝解剖

        4 結(jié)束語

        1)厚大中型球墨鑄鐵鑄件可以利用石墨膨脹化的自補(bǔ)縮能力消除縮松,從而實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造。

        2)數(shù)值模擬分析在工藝設(shè)計(jì)階段起到了至關(guān)重要的作用,可以提高工藝可行性,縮短驗(yàn)證周期,降低生產(chǎn)驗(yàn)證成本。

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