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        增壓缸體鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        2021-06-08 01:33:56陳捷文柯志敏陳鵬輝
        鑄造設(shè)備與工藝 2021年2期
        關(guān)鍵詞:冷鐵中孔充型

        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)

        1 增壓缸體技術(shù)要求及生產(chǎn)難點(diǎn)

        增壓缸體是大型壓鑄機(jī)(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(zhǎng)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(jī)加工圖見圖2.

        圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

        鑄件機(jī)加工精度和內(nèi)部質(zhì)量要求嚴(yán),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(jìn)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(diǎn),為此利用Any Casting 軟件對(duì)工藝過程進(jìn)行了模擬,結(jié)合模擬結(jié)果進(jìn)行了工藝優(yōu)化。

        圖2 鑄件機(jī)加工圖

        2 鑄造工藝方案的選擇及確定

        2.1 鑄造工藝方案的選擇

        根據(jù)增壓缸體鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),初步設(shè)計(jì)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(diǎn):模具耐用,不容易損爛;缺點(diǎn):工裝大、吃砂量大,模具制作費(fèi)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(diǎn):模具制作簡(jiǎn)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(diǎn):造型時(shí)活塊取出相對(duì)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(shè)計(jì)方案,并制定增壓缸體鑄件詳細(xì)的鑄造工藝。

        2.2 鑄造工藝設(shè)計(jì)方案的具體內(nèi)容

        2.2.1 造型型砂

        因是單件需求,模具設(shè)計(jì)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(shè)在10 mm 凸臺(tái)與670 mm×510 mm×100 mm板連接面(即三個(gè)凸臺(tái)在下型,鑄件其他部分全部在上型);同時(shí)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(diǎn),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.加工余量選取:上表面+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(yàn)和理論計(jì)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(jì)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(gè)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(zhǎng)方形凸臺(tái)上各均勻放置4 塊通用冷鐵(φ90/φ100×120),中間φ430 mm 凸臺(tái)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(gè)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(shè)置兩塊成型冷鐵,冷鐵間隙為35mm,冷鐵厚度按梯度設(shè)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(duì)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(biāo)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(shí)放排氣管,中間砂芯打芯時(shí)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(diǎn),在上型頂部靠近熱節(jié)處設(shè)置3 個(gè)φ80/φ100 明冒口,作補(bǔ)縮冒口兼型腔排氣。鑄件的鑄造工藝簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

        圖5 增壓缸體鑄件鑄造工藝簡(jiǎn)圖

        3 鑄造工藝模擬及優(yōu)化

        3.1 鑄件材質(zhì)和工藝模擬參數(shù)的選擇

        增壓缸體鑄件材質(zhì)為QT500-7,熔煉化學(xué)成分控制范圍及選擇如表1 所示。

        表1 熔煉化學(xué)成分控制范圍及選擇(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        澆注溫度選取1 355 ℃,充型速度100 cm/s,充型時(shí)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(yīng)用Any Casting模擬軟件進(jìn)行模擬分析。

        3.2 增壓缸體澆注充型模擬分析

        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(diǎn)處)

        3.3 工藝模擬結(jié)果分析

        1)從模擬結(jié)果看,整個(gè)充型約34 s,接觸冷鐵部位溫度局部有所降低,因整個(gè)充型時(shí)間不長(zhǎng),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(bǔ)縮在鑄件凝固率12.5%時(shí)失去補(bǔ)縮能力,從時(shí)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(qiáng)度,冒口很好的完成了前階段快速凝固收縮的液態(tài)補(bǔ)縮,使下階段的石墨化膨脹能很好的進(jìn)行自補(bǔ)縮。

        3)從凝固過程看,凝固40%時(shí)開始形成三個(gè)液相孤立區(qū),其中兩個(gè)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(diǎn)處,形成局部縮松可能性,從缺陷的位置和大小對(duì)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(shí)際生產(chǎn),確定概率缺陷位置2 為需要進(jìn)行工藝優(yōu)化改善的重要點(diǎn)。

        4 工藝優(yōu)化改善

        根據(jù)模擬結(jié)果缺陷產(chǎn)生的概率和位置,因?yàn)槔滂F促使鑄件厚實(shí)部分提前膨脹,從而加強(qiáng)鑄件獲得液態(tài)補(bǔ)縮的能力,避免在凝固后期因?yàn)檠a(bǔ)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),并在外模刻線冷鐵位置作為定位;

        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(jiǎn)圖如圖9 所示,優(yōu)化后的工藝,通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證,缺陷消除,取得良好改善效果。

        圖9 改善后工藝簡(jiǎn)圖

        5 結(jié)論

        根據(jù)增壓缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),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(duì)設(shè)計(jì)出來的鑄造工藝進(jìn)行模擬,為改進(jìn)澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等提出一些意見,從而合理設(shè)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。

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