劉金林，張曉峰，龔華林

上海圣德曼鑄造有限公司 上海 201805

我公司可生產(chǎn)汽車灰鑄鐵和球墨鑄鐵類零部件，產(chǎn)品覆蓋曲軸、軸承蓋、排氣管、殼體、支架及差速器殼體等。開發(fā)自主品牌的某商用車差速器殼體，至今已經(jīng)完成OTS交樣。在開發(fā)過程中借用MAGNA模擬軟件，加快改進(jìn)了冒口頸縮孔、縮松的質(zhì)量缺陷，同時減少了多余冒口的設(shè)計，短時間內(nèi)完成了產(chǎn)品交樣，改進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了我公司產(chǎn)品的市場競爭力。

1 某商用車差速器殼體開發(fā)要求

某差速器殼體（見圖1），產(chǎn)品設(shè)計單重7.33kg，法蘭厚度12.5mm（凸臺厚度則為16.2mm），最大壁厚30mm，在我公司開發(fā)的汽車差速器殼體中屬于重量最大及尺寸最大的差速器殼體。目前，我公司擁有殼型線（垂直分型生產(chǎn)曲軸專用）、KW水平線及DISA線（垂直分型），結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，由于差速器殼體尺寸、重量大，因此適合水平分型，DISA線由于是無箱造型，不適合體積大且重量大的產(chǎn)品，因此將該差速器殼體選擇在KW線濕砂型鑄造生產(chǎn)。結(jié)合相關(guān)差殼開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，初始鑄造工藝如圖2所示，冒口頸設(shè)置在差速器殼體窗口位置，鑄件模數(shù)0.62cm，設(shè)計冒口模數(shù)1.05cm，設(shè)計工藝出品率53%。差速器殼體材質(zhì)為QT450-10，其性能要求見表1，尺寸要求和缺陷特殊要求見表2。

2 冒口頸縮孔、縮松解決方案

采用初始鑄造工藝生產(chǎn)的冒口頸存在縮孔、縮松（見圖3），對應(yīng)缺陷比例高達(dá)30%，同時軸頭處也存在縮松（見圖4），其中軸頭處縮松符合缺陷要求，但是冒口頸處縮孔、縮松面較大，雖然該位置屬于加工面，但由于縮孔、縮松位置面大且深度較深（超過加工余量2mm），缺陷不符合要求。

表1 某差速器殼體性能要求

表2 某差速器殼體尺寸和缺陷要求

圖1 某差速器殼體

圖2 初始鑄造工藝示意

圖3 冒口頸位置缺陷

圖4 軸頭處縮松

針對冒口頸縮孔、縮松缺陷，根據(jù)公司內(nèi)部其他產(chǎn)品冒口頸縮孔、縮松的相關(guān)改善經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為導(dǎo)致冒口頸縮孔、縮松的主要原因在于冒口頸位置過熱導(dǎo)致，由于冒口頸位置存在尖角砂而散熱慢，且冒口頸尺寸過大，因此導(dǎo)致冒口頸附近最后凝固，最終形成冒口頸縮孔、縮松。根據(jù)這個問題，首先優(yōu)化了冒口頸對應(yīng)的尖角砂，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)對應(yīng)尖角砂區(qū)域逐步修掉5～10mm（見圖5），修理5mm后試制冒口頸縮孔、縮松比例還有20%多，初見效果，比例有一定降低，繼續(xù)修理10mm后試制，冒口頸縮孔、縮松比例還是20%多，未見下降；根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)修理冒口頸尺寸（冒口頸高度修理掉5mm）以及對應(yīng)尖角砂尺寸（見圖6），修理后試制冒口頸縮孔、縮松比例下降到10%左右，效果明顯，

圖5 減小尖角砂區(qū)域

圖6 減小冒口頸以及尖角砂區(qū)域

但是，在我們解剖一全模（8件）時，發(fā)現(xiàn)1件雖然冒口頸外部不再有縮孔、縮松，但是內(nèi)部卻存在縮孔、縮松，即縮孔、縮松從冒口頸區(qū)域轉(zhuǎn)移到鑄件內(nèi)部（見圖7），后續(xù)也進(jìn)行了化學(xué)成分的優(yōu)化（高碳、低硅等），但是效果不明顯，縮孔、縮松有稍微減小的趨勢，然而縮孔、縮松的缺陷比例卻未見明顯下降。因此，單一地通過采用材料優(yōu)化工藝（如提高碳當(dāng)量等）是不能完全消除曲軸加工縮孔、縮松缺陷的，只是可以達(dá)到減小加工縮孔、縮松的趨勢[1]。為加快改善進(jìn)度，后續(xù)采用MAGNA模擬軟件對該差速器殼體進(jìn)行了工藝模擬優(yōu)化，結(jié)果顯示冒口應(yīng)就近設(shè)在鑄件熱節(jié)的上方或側(cè)旁[2]。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定，目前該差速器殼體冒口只能設(shè)置在鑄件熱節(jié)的側(cè)旁，從滾圓形法可以知道冒口設(shè)計在距離法蘭10～30mm的距離，冒口頸部雖在這個范圍內(nèi)，但是最優(yōu)的距離參數(shù)需要進(jìn)一步驗(yàn)證。對于側(cè)冒口，冒口頸部的模數(shù)Ms應(yīng)比鑄件設(shè)置部位的模數(shù)Mc大，冒口模數(shù)又比冒口頸模數(shù)大[3]。

圖7 縮孔縮松轉(zhuǎn)移到內(nèi)部

該工藝冒口模數(shù)1.05cm，冒口頸模數(shù)0.53cm，鑄件對應(yīng)熱節(jié)處模數(shù)0.63cm，很明顯冒口模數(shù)最大，但是冒口頸模數(shù)明顯小于鑄件熱節(jié)模數(shù)，即使如此冒口頸還是存在最后凝固的情況，導(dǎo)致縮孔、縮松缺陷。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，冒口頸附近存在尖角砂，由于其散熱性差，導(dǎo)致該處熱節(jié)明顯偏大，且通過前面優(yōu)化此處尺寸可以知道，消除尖角砂位置可以明顯改善冒口頸縮松、縮松，但是不能消除此處缺陷；同時冒口頸處的模數(shù)不能進(jìn)一步降低，參考前面的實(shí)際試制結(jié)果，若進(jìn)一步降低冒口頸的模數(shù)（如降低冒口頸的高度等），會導(dǎo)致該位置提前于鑄件凝固，最終導(dǎo)致縮孔、縮松轉(zhuǎn)移到鑄件內(nèi)部。

綜上所述，冒口頸模數(shù)足夠，可以利用減小冒口頸長度來降低尖角砂的散熱性，增加冒口頸的熱節(jié)，同時增加冒口的尺寸和熱節(jié)，確保實(shí)際的冒口熱節(jié)大于冒口頸來進(jìn)行模擬改善?；谝陨纤悸?，模擬方案針對冒口頸部距法蘭距離參數(shù)選擇，對距離法蘭15mm（該處砂芯成形，考慮砂芯強(qiáng)度以及變形風(fēng)險，砂芯最小厚度15mm較為保險）以及20mm、25mm等進(jìn)行模擬，同時增加冒口尺寸進(jìn)行模擬，依次模擬冒口直徑65mm、70mm、75mm、80mm、85mm，冒口高度80mm、100mm、120mm、140mm等，同時模擬冒口頸大小以及冒口距離參數(shù)，依次模擬冒口頸截面積360mm2、250mm2，模擬冒口頸長度20mm、17.5mm、15mm、12.5mm、10mm等參數(shù)。綜合以上模擬發(fā)現(xiàn)冒口頸距離法蘭15mm優(yōu)于20mm和25mm，若距法蘭距離太遠(yuǎn)則會導(dǎo)致補(bǔ)縮不到熱節(jié)，縮孔、縮松缺陷轉(zhuǎn)入鑄件內(nèi)部（見圖8），鎖定最優(yōu)參數(shù)15mm，即鎖定冒口頸距法蘭最優(yōu)距離后，則進(jìn)行冒口頸截面積、冒口頸長度及冒口直徑參數(shù)的模擬，模擬發(fā)現(xiàn)冒口截面積達(dá)到360mm2，優(yōu)于250mm2，否則冒口頸截面積過小會導(dǎo)致冒口頸處熱節(jié)不足，冒口頸比鑄件熱節(jié)先凝固，而鑄件通過石墨化膨脹又不能實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，最終導(dǎo)致縮孔、縮松轉(zhuǎn)移到鑄件內(nèi)部（見圖9）。

圖8 冒口頸距離法蘭距離參數(shù)偏大模擬結(jié)果

圖9 冒口頸截面積參數(shù)偏小模擬結(jié)果

模擬冒口直徑、高度以及冒口頸長度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)冒口直徑85mm、冒口高度140mm、冒口頸長度10mm等參數(shù)最優(yōu)，否則模擬會發(fā)現(xiàn)凝固后冒口心部與冒口頸之間出現(xiàn)一條縮孔線（見圖10），雖然縮孔線從冒口頸處向外延伸到冒口芯心部且不延伸到鑄件內(nèi)部，但在實(shí)際生產(chǎn)中就發(fā)現(xiàn)這個就是冒口頸處縮孔、縮松的實(shí)際表現(xiàn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，除了在冒口頸處產(chǎn)生縮孔、縮松外，主要還是延伸到冒口一側(cè)的，少部分延伸到與鑄件搭接的區(qū)域，這也與模擬發(fā)現(xiàn)的趨勢一致。鎖定冒口頸位置以及冒口頸截面積后，采用直徑85mm、高度140mm、冒口頸長度10mm的冒口，可以實(shí)現(xiàn)鑄件縮孔、縮松模擬最優(yōu)化，后續(xù)采用此方案進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證一爐，冒口頸處以及對應(yīng)內(nèi)部縮孔、縮松完全消除（見圖11），后續(xù)繼續(xù)驗(yàn)證兩爐，同樣冒口頸無縮孔、縮松，改善成功。

如果以上參數(shù)方案在現(xiàn)場通過修改模具進(jìn)行試制驗(yàn)證，則至少需要一個多月的時間才能完成預(yù)期目標(biāo)，且中間過程還會導(dǎo)致試制的成本浪費(fèi)，而借助于MAGMA模擬軟件只用一周的時間就完成了不同參數(shù)方案的模擬計算且找出最優(yōu)的參數(shù)，后續(xù)現(xiàn)場一次驗(yàn)證達(dá)到目標(biāo)，大大提高了改進(jìn)的效率，降低了改進(jìn)的成本。

由計算可知，采用新的冒口和冒口頸后，冒口模數(shù)1.21cm，冒口頸模數(shù)0.45cm，鑄件對應(yīng)熱節(jié)處模數(shù)0.63cm，冒口頸模數(shù)雖然比以前低，但是利用減小冒口頸的長度來增加尖角砂區(qū)域，大的尖角砂散熱進(jìn)一步降低，給予冒口頸足夠的熱節(jié)，最終滿足鑄件熱節(jié)最先凝固、冒口頸之后凝固、冒口最后凝固的條件，且補(bǔ)充通道暢通，不存在補(bǔ)縮斷裂的情況，最終實(shí)現(xiàn)順序凝固，從而達(dá)到改善冒口頸縮孔、縮松的目的。

圖10 冒口尺寸偏小及冒口頸長度尺寸偏大模擬

圖11 優(yōu)化冒口和冒口頸后無缺陷

鎖定冒口以及冒口頸參數(shù)后，后續(xù)進(jìn)一步模擬研究了冒口壓力槽對鑄件補(bǔ)縮的影響，模擬和驗(yàn)證四種冒口壓力槽，分別是小V形壓力槽（120o×0.3h深），大V形壓力槽（120o×0.6h深），h是冒口高度，常規(guī)圓柱形壓力槽以及無壓力槽冒口（即4種冒口）。模擬后發(fā)現(xiàn)4種冒口都能滿足鑄件的補(bǔ)縮要求（見圖12），后續(xù)現(xiàn)場驗(yàn)證4種冒口實(shí)際效果也是相同的，對鑄件的補(bǔ)縮無明顯差異，唯一區(qū)別在于大V形壓力槽冒口和常規(guī)圓柱形壓力槽冒口本身凝固后在壓力槽位置更容易形成凹縮，且有利于減小冒口體積，提高工藝出品率。對比4種冒口的模數(shù)可以知道，大V形壓力槽模數(shù)是1.08cm，小V形壓力槽模數(shù)是1.22cm，常規(guī)圓柱形壓力冒口模數(shù)是1.21cm，無壓力槽冒口模數(shù)是1.28cm，顯然無壓力槽冒口模數(shù)最大，大V形壓力槽冒口模數(shù)最小，但是只要冒口熱節(jié)足夠，大V形壓力槽冒口同樣可以滿足補(bǔ)縮的需求。從經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，無壓力槽冒口重量最大，消耗鐵液最多，經(jīng)濟(jì)效益最低，而大V形壓力槽冒口重量最小，消耗鐵液最少，經(jīng)濟(jì)效益最高。

圖12 4種冒口模擬結(jié)果

3 軸頭位置縮松風(fēng)險預(yù)測和優(yōu)化

為改善差速器殼體軸頭位置的縮松風(fēng)險，開發(fā)前期在軸頭位置放置了兩個冷冒口（見圖2），但是實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)對應(yīng)位置繼續(xù)存在縮松的現(xiàn)象（見圖4），雖然該縮松滿足要求，但后續(xù)通過模擬發(fā)現(xiàn)，增加的兩個小冷冒口在凝固過程存在反補(bǔ)縮的情況。冒口偏小時會先于鑄件熱節(jié)凝固，不但起不到補(bǔ)縮作用，反而從熱節(jié)處抽取鐵液；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，都會引起縮松[4]。由于空間限制，兩個冷冒口不能設(shè)置過大，與其讓它產(chǎn)生反補(bǔ)縮作用，不如取消兩個冷冒口進(jìn)行模擬分析。后續(xù)模擬分析發(fā)現(xiàn)，取消兩個冷冒口后，對應(yīng)軸頭位置的縮松存在進(jìn)一步降低的趨勢（見圖13），后續(xù)通過實(shí)踐驗(yàn)證，軸頭位置實(shí)際生產(chǎn)中也與模擬結(jié)果一致，縮松得到降低甚至消失（見圖14）。

圖13 軸頭位置是否放置冷冒口模擬分析對比

圖14 軸頭取消冷冒口后縮松情況

綜合上所述可以知道，當(dāng)放置的冷冒口熱節(jié)不足時，不但起不到補(bǔ)縮鑄件的作用，反而起相反的作用，會加大鑄件縮松的趨勢和風(fēng)險。

4 結(jié)束語

1）通過合理設(shè)計冒口頸位置、冒口頸截面積、冒口以及冒口頸參數(shù)，可以消除冒口頸縮孔、縮松缺陷。

2）實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)存在尖角砂時，可利用減小冒口頸長度來達(dá)到增加冒口頸熱節(jié)的目的，這時參數(shù)可以設(shè)計成M冒口模數(shù)＞M鑄件熱節(jié)模數(shù)＞M冒口頸模數(shù)。

3）在冒口熱節(jié)足夠時，冒口的壓力槽設(shè)置參數(shù)對鑄件補(bǔ)縮不產(chǎn)生影響。從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，大V形壓力槽冒口效果最高，無壓力槽冒口效果最低。

4）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需要合理設(shè)置冷冒口參數(shù)，當(dāng)設(shè)置的冷口熱節(jié)不足時，反而會因反補(bǔ)縮導(dǎo)致增加鑄件縮松的風(fēng)險。