李朝東，宋 亮，常永慧，田學(xué)智，王曉毅，程永剛，王鵬東

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心（安徽）有限公司，安徽蕪湖 241200）

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求

壓蓋在泵中起著密封和固定的作用，對泵的正常使用和運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。圖1 所示為泵用壓蓋產(chǎn)品，重量約為15.5kg，材質(zhì)為ZG230-450，具體鑄件結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，化學(xué)成分見表2，力學(xué)性能見表3。鑄件最大壁厚28mm，最小壁厚僅為6mm，要求鑄件不得有縮孔、縮松和裂紋等缺陷。

表1 鑄件基本參數(shù)

表2 鑄件化學(xué)成分要求 w/%

表3 鑄件室溫力學(xué)性能要求

圖1 泵用壓蓋產(chǎn)品模型

此鑄件重量較小，整體結(jié)構(gòu)也相對簡單，但是該鑄件存在很多的散熱筋板，厚度僅為6mm，最短的為35mm,最長的達(dá)到170mm，高度為25mm。通過對該鑄件結(jié)構(gòu)的分析，有如下兩點鑄造難點：

（1）鑄件筋板厚度小，易充型不良。在砂型鑄造中，碳鋼件尺寸在200mm～400mm 之間時，鑄件的最小壁厚不應(yīng)小于9mm[1]。而此鑄件的壁厚僅為6mm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了砂型鑄造生產(chǎn)的極限，所以筋板的成型將是該鑄件的重難點。

（2）某企業(yè)生產(chǎn)鑄鋼件所使用的澆包為1.5t鋼包，但此產(chǎn)品重量僅為12.5kg,由于鑄件質(zhì)量較小，使用較大鋼包進(jìn)行澆注時，鑄件的澆注溫度、澆注時間及澆注過程等均不能很好地保證，為此對鑄件薄壁部分的成型是非常不利的。

2 鑄造工藝設(shè)計

2.1 澆注位置選擇

考慮該產(chǎn)品筋板不易成型，鑄件重量小等結(jié)構(gòu)特點，同時還結(jié)合3D 打印砂型技術(shù)無需考慮模具制作、分型靈活等優(yōu)勢和特點，選擇了一型多件且鑄件豎直澆注的工藝方案，如圖2 所示，為泵用壓蓋產(chǎn)品澆注位置。此澆注位置的選擇有如下優(yōu)勢：

圖2 澆注位置

（1）豎直澆注時金屬液上升液面截面積小，等高面溫度差小，不易產(chǎn)生冷隔、氣孔等缺陷。

（2）鑄件豎直放置有利于補縮冒口的設(shè)置和鑄件的整體補縮，同時有利于后序清理。

（3）采用一型多件，可增加單箱澆注重量，減少澆注箱數(shù)，保證澆注溫度可控，確保鑄件質(zhì)量的同時也提升生產(chǎn)效率。

2.2 冒口、冷鐵設(shè)計

對于鑄鋼件來說，為保證冒口能夠?qū)﹁T件起到有效地補縮作用，必須要保證冒口的凝固時間要比鑄件的凝固時間長，冒口所能提供的補縮液量應(yīng)不小于被補縮區(qū)域鑄件的液態(tài)收縮、凝固收縮和型腔擴大量之和。為此，在公司鑄鋼件產(chǎn)品設(shè)計時要求：M冒≥1.2M鑄件，冒口的補縮液量大于鑄件被補縮部分重量與暗冒口重量的1/3，且在保證能夠提供足夠金屬液的同時還要確保在整個凝固過程中冒口和鑄件之間的補縮通道的暢通。

通過對鑄件結(jié)構(gòu)、澆注位置及產(chǎn)品厚大位置熱節(jié)的分布情況和結(jié)合CAE 模擬軟件，分析鑄件熱節(jié)位置分布情況，確定使用1 個頂冒口，再通過鑄件模數(shù)確定了冒口大小，同時通過冷鐵和補貼的配合使用，保證鑄件無縮孔、縮松缺陷，確保內(nèi)部質(zhì)量。如圖3 所示，為泵用壓蓋產(chǎn)品的冒口冷鐵設(shè)計。

圖3 冒口冷鐵設(shè)計

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

因鑄件結(jié)構(gòu)較小，鑄件壁厚相對均勻，故澆注系統(tǒng)采用中注開放式澆注系統(tǒng)。此種澆注系統(tǒng)兼有頂注和底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)缺點，在保證金屬液上下型溫差不大的情況下充型過程平穩(wěn)，同時避免了金屬液直沖砂芯造成夾砂缺陷。

2.4 CAE 模擬

圖4 澆注系統(tǒng)圖

CAE（計算機輔助工程分析）模擬可以增加設(shè)計功能，減少設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期；采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案，降低材料的消耗或成本等優(yōu)點[2]。如表4，為產(chǎn)品模擬參數(shù)表。

表4 產(chǎn)品模擬參數(shù)表

結(jié)合CAE 模擬軟件對產(chǎn)品鑄造工藝進(jìn)行模擬分析，通過模擬結(jié)果判斷鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松傾向，并對鑄造工藝冒口、冷鐵和補貼等進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量。通過優(yōu)化調(diào)整，最終CAE 模擬結(jié)果顯示：產(chǎn)品和冒口模數(shù)符合順序凝固要求，冒口最后凝固，產(chǎn)品無縮松傾向。如圖5所示，為孔隙率、熱節(jié)圖。

圖5 孔隙率、熱節(jié)圖

同時對產(chǎn)品澆注系統(tǒng)是否設(shè)計合理，對金屬液在鑄型中是否平穩(wěn)上升，是否有紊流、飛濺和卷氣等過程進(jìn)行充型模擬，經(jīng)過模擬結(jié)果顯示：產(chǎn)品澆注系統(tǒng)設(shè)計符合滿足要求，符合澆注系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，金屬液充型過程平穩(wěn)無飛濺。

2.5 3D 打印砂型設(shè)計

此產(chǎn)品生產(chǎn)時使用3D 打印砂型進(jìn)行生產(chǎn)，因此在砂型工藝設(shè)計時充分利用了3D 打印技術(shù)不用考慮模具制作、起模，可以將型、芯結(jié)合，極大減少砂芯數(shù)量，避免組芯合箱時導(dǎo)致的偏差，尺寸精度高，加工余量小等的優(yōu)勢和特點，將整個鑄件生產(chǎn)所需要的砂型拆分為2 塊砂型，同時將鑄件難度大的筋板全部放置在一個砂型內(nèi)部，避免豎直澆注時從中間位置分型導(dǎo)致鑄件筋板產(chǎn)生披縫的問題，提高鑄件外觀質(zhì)量的同時也減少了后序清理工作量，從質(zhì)量和成本方面有了很大地改善和提升。如圖6 所示，為產(chǎn)品的3D 打印砂型圖。

圖6 砂型圖

2.6 熔煉澆注

熔煉使用中頻感應(yīng)電爐加吹氬除氣的方式，出鋼時，使用鋁粒脫氧。因產(chǎn)品厚度較小，因此要保證鋼水溫度，出鋼前對鋼包進(jìn)行烘烤，保證鋼包溫度≥800℃，出鋼溫度控制在1650～1670℃，出鋼、扒渣完成測溫到1585～1595℃時可以進(jìn)行澆注。

3 生產(chǎn)驗證

如圖7 所示為去除冒口后的鑄件和交付前的鑄件圖，此鑄件只進(jìn)行了拋丸處理，從外觀看通過工藝改進(jìn)和3D 砂型技術(shù)的應(yīng)用，鑄件散熱筋板成型良好，筋板一次成型無任何披縫，壁厚均勻，無缺肉問題，同時鑄件整體尺寸控制好，分型面披縫小，極大地減小了后期清理工作量。

圖7 生產(chǎn)鑄件圖

經(jīng)檢驗，鑄件內(nèi)部質(zhì)量滿足客戶無損檢測要求，化學(xué)成分、機械性能均達(dá)到顧客規(guī)范要求。后序清理時鑄件披縫少，產(chǎn)品內(nèi)部無縮孔、縮松，機械性能優(yōu)良，產(chǎn)品經(jīng)生產(chǎn)驗證合格。

4 結(jié)語

通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析和CAE 仿真軟件的輔助模擬，同時充分利用3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢，選擇合理的產(chǎn)品澆注位置、分型面、砂型分型方法和澆注溫度等，使得產(chǎn)品的筋板及重要結(jié)構(gòu)均在同一砂型中，生產(chǎn)過程操作簡單，尺寸穩(wěn)定，外觀質(zhì)量有很好的保證。經(jīng)過生產(chǎn)驗證，此產(chǎn)品一次生產(chǎn)合格，各方面均滿足顧客要求，產(chǎn)品表面披縫小，筋板成型極好，無冷隔、缺肉等缺陷，同時也很好地保證了鑄件外觀質(zhì)量，減少了清理工作量，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本，使鑄件質(zhì)量得到很大地提升。