陳捷文,柯志敏,陳鵬輝
(廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司,廣東 英德 513000)
增壓缸體是大型壓鑄機(重量在1 250 t 以上)重要的零部件之一。其上、下結(jié)構(gòu)均為長方形法蘭,中間段為類圓桶形,且中心為通孔;鑄件的外形尺寸670 mm×510 mm×470 mm,主要壁厚為90 mm~130 mm,重量為700 kg,材質(zhì)為QT500-7.鑄件結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,鑄件機加工圖見圖2.
圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖
鑄件機加工精度和內(nèi)部質(zhì)量要求嚴,如圖2 所示,鑄件中φ300 mm 及300 mm 深的中孔加工光潔度要求Ra0.8 μm,需要進行衍磨,且衍磨后不允許色差、氣孔、針孔、夾渣和縮松等缺陷,是生產(chǎn)的最大難點,為此利用Any Casting 軟件對工藝過程進行了模擬,結(jié)合模擬結(jié)果進行了工藝優(yōu)化。
圖2 鑄件機加工圖
根據(jù)增壓缸體鑄件的結(jié)構(gòu)特點,初步設計了兩種鑄造工藝方案,見圖3.
圖3 鑄造工藝方案圖
第一種方案:妨礙起模的法蘭采用兩邊下砂芯工藝。優(yōu)點:模具耐用,不容易損爛;缺點:工裝大、吃砂量大,模具制作費用大,尺寸精度差,鑄件外觀差,主要還是工序增多,生產(chǎn)效率低。
第二種方案:妨礙起模的法蘭采用分段拆活工藝。優(yōu)點:模具制作簡單,尺寸精度高,模具與鑄件毛坯結(jié)構(gòu)基本一致,外觀質(zhì)量好,減少部分制芯、下芯工序,生產(chǎn)效率高,大大降低成本;缺點:造型時活塊取出相對繁瑣,且容易變形損爛,縮短模具壽命。
綜合考慮選擇第二種設計方案,并制定增壓缸體鑄件詳細的鑄造工藝。
2.2.1 造型型砂
因是單件需求,模具設計為一箱一件;呋喃樹脂砂造型。
2.2.2 分型面
從鑄件技術(shù)要求、重要使用面、鑄件結(jié)構(gòu)、下芯方便、利于排氣和工裝制造等方面綜合考慮,分型面設在10 mm 凸臺與670 mm×510 mm×100 mm板連接面(即三個凸臺在下型,鑄件其他部分全部在上型);同時采用帶濾網(wǎng)擋渣底注式澆注。如圖5所示。
2.2.3 收縮率與加工余量
根據(jù)鑄件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點,收縮率取1.0%,拔模斜度取外1:100,內(nèi)1:35,未注圓角選取R10.加工余量選?。荷媳砻?8 mm,下表面、側(cè)面+5 mm,中孔衍磨段+8 mm、其余+5 mm.
2.2.4 澆注系統(tǒng)
由于增壓缸體質(zhì)量要求較高,采用泡沫過濾網(wǎng)加陶瓷管底注式、封閉式澆注系統(tǒng),結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗和理論計算[1],確定內(nèi)澆道截面積28.0 mm2,并選取A內(nèi)∶A橫∶A直=1∶1.2∶1.36,計算出橫澆道截面積33.6cm2,直澆道截面積38.46 cm2.確定直澆道選用φ70mm陶瓷管,橫澆道尺寸為70/80mm×45mm,過濾器3 塊并排,尺寸為150 mm×100 mm×20 mm,4個φ30mm 內(nèi)澆道。
2.2.5 冷鐵
澆注采用底注方案,為了防止底部局部過熱產(chǎn)生縮松等缺陷現(xiàn)象,在兩邊長方形凸臺上各均勻放置4 塊通用冷鐵(φ90/φ100×120),中間φ430 mm 凸臺上均勻放置8 塊通用冷鐵;由于中孔φ300 mm加工光潔度要求高,加上300 mm 深處有一個熱節(jié)位,為了使鑄件趨向于均衡凝固,減少局部熱節(jié),在砂芯φ300mm 孔設置兩塊成型冷鐵,冷鐵間隙為35mm,冷鐵厚度按梯度設置,底部厚60mm,頂部厚40 mm.
2.2.6 砂芯及排氣
中孔采用砂芯工藝,芯盒示意圖見圖4,下孔芯頭做出定位防止旋轉(zhuǎn),芯盒采用對開式芯盒,方便制芯;圓孔位置芯盒內(nèi)放置成型冷鐵,冷鐵位置在芯盒內(nèi)刻線作為標記,放置砂芯內(nèi)的冷鐵為放置在厚壁處;在上型芯頭中間釘φ3 mm 排氣管定位,造型時放排氣管,中間砂芯打芯時中間扎φ15 mm 排氣孔,與上型芯頭位置基本一致。
圖4 中孔芯盒示意圖
2.2.7 冒口
根據(jù)增壓缸體鑄件的結(jié)構(gòu)特點,在上型頂部靠近熱節(jié)處設置3 個φ80/φ100 明冒口,作補縮冒口兼型腔排氣。鑄件的鑄造工藝簡圖如圖5 所示。
圖5 增壓缸體鑄件鑄造工藝簡圖
增壓缸體鑄件材質(zhì)為QT500-7,熔煉化學成分控制范圍及選擇如表1 所示。
表1 熔煉化學成分控制范圍及選擇(質(zhì)量分數(shù),%)
澆注溫度選取1 355 ℃,充型速度100 cm/s,充型時間34 s;鑄型、砂芯,材質(zhì)選取呋喃樹脂砂,初始溫度為常溫25 ℃;收縮率取1.0%.應用Any Casting模擬軟件進行模擬分析。
增壓缸體鑄造工藝過程澆注充型充填率模擬結(jié)果如圖6 所示,從模擬結(jié)果看,充型過程平穩(wěn),無紊流等現(xiàn)象產(chǎn)生。
圖6 增壓缸體鑄造工藝澆注充型模擬
增壓缸體模擬凝固過程狀態(tài),如圖7 所示。
圖7 增壓缸體模擬凝固過程狀態(tài)
增壓缸體鑄件模擬的概率缺陷參數(shù)及概率缺陷位置如圖8 所示。
圖8 概率缺陷位置(圖中白點處)
1)從模擬結(jié)果看,整個充型約34 s,接觸冷鐵部位溫度局部有所降低,因整個充型時間不長,上下液面不至形成較大的溫度差,利于均衡凝固。
2)從凝固過程看,冒口補縮在鑄件凝固率12.5%時失去補縮能力,從時間上看約426 s,鑄件表面特別是放冷鐵的面已凝固,建立起了強度,冒口很好的完成了前階段快速凝固收縮的液態(tài)補縮,使下階段的石墨化膨脹能很好的進行自補縮。
3)從凝固過程看,凝固40%時開始形成三個液相孤立區(qū),其中兩個液相孤立區(qū)較小,缺陷的形成往往在液相孤立區(qū)最后凝固區(qū)及附近,即在圖8 概率缺陷位置圖中白點處,形成局部縮松可能性,從缺陷的位置和大小對鑄件的使用性能來講,概率缺陷位置2 有鉆孔,有一定的隱患;根據(jù)以上分析并結(jié)合實際生產(chǎn),確定概率缺陷位置2 為需要進行工藝優(yōu)化改善的重要點。
根據(jù)模擬結(jié)果缺陷產(chǎn)生的概率和位置,因為冷鐵促使鑄件厚實部分提前膨脹,從而加強鑄件獲得液態(tài)補縮的能力,避免在凝固后期因為補縮不足而出現(xiàn)縮松縮孔。
具體工藝優(yōu)化改善如下:
1)在鑄件孔φ85 mm 外側(cè)增加一塊通用冷鐵80 mm×80 mm×70 mm(高),并在外??叹€冷鐵位置作為定位;
2)在鑄件孔φ85 mm 下側(cè)內(nèi)圓φ270 mm 處增加一塊寬80 mm、高60 mm、厚40 mm 成型冷鐵。工藝改善后工藝簡圖如圖9 所示,優(yōu)化后的工藝,通過實際生產(chǎn)驗證,缺陷消除,取得良好改善效果。
圖9 改善后工藝簡圖
根據(jù)增壓缸體的結(jié)構(gòu)特點,選取A內(nèi)∶A橫∶A直=1∶1.2∶1.36 的封閉式澆注系統(tǒng),通過模擬技術(shù)對設計出來的鑄造工藝進行模擬,為改進澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等提出一些意見,從而合理設置冒口、冷鐵,配合合適的澆注溫度、充型速度,可以獲得形狀完整、內(nèi)部致密、質(zhì)量滿足技術(shù)要求的鑄件。