“快速制造”在液控換擋閥閥體鑄件試制中的應(yīng)用

嚴紅衛(wèi)，吳術(shù)周

（1.中國航空工業(yè)集團公司貴州楓陽液壓有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550009；2.武漢濱湖機電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司，湖北 武漢 430074）

換擋閥液壓控制系統(tǒng)是挖掘機的心臟部件之一，而換擋閥閥體是其關(guān)健零件。公司接手試制某型液控換擋閥系統(tǒng)產(chǎn)品，該換擋閥閥體鑄件材料牌號為QT450-10，質(zhì)量22 kg，外形尺寸277.9mm×221.9mm×78.7mm（見圖 1）。

在接到鑄件產(chǎn)品零件設(shè)計圖紙之后要在15個工作日之內(nèi)提供一套合格鑄件毛坯的試制任務(wù)。如果按照新品鑄件傳統(tǒng)試制模式，僅加工制作整套砂芯模具就需要40余個工作日，加上前期模具工藝與三維建模設(shè)計（約3個工作日）及生產(chǎn)澆注時間（約2個工作日）共5個工作日，合起來至少需要45個工作日才能為機械加工單位提供新品鑄件毛坯。所以按傳統(tǒng)試制做法在時間上不可能完成及時交付合格鑄件毛坯的任務(wù)。

圖1 換擋閥閥體鑄件

從新品鑄件傳統(tǒng)試制時間周期來看，模具制造（40個工作日）占試制時間周期的88%，模具制作周期是能否完成試制任務(wù)的主要控制因素。

為此，公司首次考慮采用“快速制造”技術(shù)，無須制作關(guān)健的砂芯模具，大大縮短了新品鑄件試制周期，并最終在15個工作日內(nèi)順利完成了鑄件毛坯的試制任務(wù)。

1 “快速制造”技術(shù)原理

“快速制造”技術(shù)的原理是在特定的設(shè)備上將制件的三維模型沿某一坐標(biāo)軸進行分層“切片”處理，然后使用特定的成型材料（寶珠覆膜砂）進行“分層制造、逐層疊加”，直至制造出完整的三維制件（砂芯），其工藝流程為：三維CAD設(shè)計→快速制造（原型）→快速制?！∨可a(chǎn)（見圖2所示）。

圖2 快速制造與特定設(shè)備

2 工藝方案

根據(jù)車間現(xiàn)有條件，外模砂型在DS-10雙臂連續(xù)式樹脂砂混砂生產(chǎn)線上完成。而砂芯首次采用選擇性激光燒結(jié)寶珠覆膜砂的“快速制造”技術(shù)制作，每型生產(chǎn)1件。在此工藝方案中，僅用柏木制作鑄件木質(zhì)外模（圖3），其制作周期僅1個工作日，無須制作砂芯的芯盒模具。鑄件剖視圖如圖4所示，鑄件澆冒口系統(tǒng)圖如圖5所示，整體砂芯三維圖如圖6所示。

圖3 木質(zhì)外模模具

圖4 鑄件剖視示意圖

圖5 鑄件澆冒口系統(tǒng)

2.1 收縮率、拔模斜度

考慮到閥體鑄件外部形狀較為簡單、內(nèi)部油道縱橫交錯復(fù)雜的特點，砂芯與外模各取不同的收縮率，其中砂芯受阻收縮率為0.5%；外形尺寸277.9mm×221.9mm×78.7mm的自由收縮率為1.1%.鑄件外模是木模，拔模斜度為0°30′；閥體內(nèi)腔砂芯（含鑄件外部油路形狀）因為采用“快速制造”技術(shù)，不用模具，因而勿需取模，所以閥體內(nèi)腔砂芯不用考慮拔模斜度。

2.2 澆冒系統(tǒng)

根據(jù)球墨鑄鐵件均衡凝固技術(shù)的工藝原則[1]：澆注系統(tǒng)應(yīng)分散、平穩(wěn)、快速充填；冒口應(yīng)離開熱節(jié)而又靠近熱節(jié)，冒口不必晚于鑄件凝固；充分利用冷鐵和澆注系統(tǒng)來調(diào)節(jié)鑄件的溫度場；配以必要的安全冒口；提高鑄型的自適應(yīng)能力，充分利用球墨鑄鐵的石墨化膨脹，達到提高鑄件致密度和工藝出品率的目的。

由于球墨鑄鐵鐵液中含有一定數(shù)量的氧化物如MgO、CeO5等，它們與鐵液中另外的氧化物如FeO、SiO2等形成球墨鑄鐵特有的氧化膜，這種氧化膜處于固液狀態(tài)，溫度愈低，膜越多越厚。當(dāng)澆注溫度低時，膜被撕成碎片狀卷入鑄型造成夾渣[2]。若鐵液充填鑄型不平穩(wěn)或斷流，極易產(chǎn)生氧化夾渣。

基于以上分析，澆注系統(tǒng)必須具有平穩(wěn)快速的充填功能外，還應(yīng)具有良好的擋渣效果。故此采用封閉式澆注系統(tǒng)[3]、采用“直一、橫一、內(nèi)二”澆注工藝，如圖5所示。

各單元截面積比為 2.0∶1.8∶1.0.

冒口（兼排氣）數(shù)量為4個，其尺寸為長60mm×寬 35mm×高 100mm.

薄寬內(nèi)澆道分散進水、冒口分散布置，可以促使鑄型的溫度場分布較為均勻，有利于鑄件均勻收縮，更利于澆注時型腔暢通排氣。

2.3 砂芯

砂芯三維圖工藝設(shè)計完畢后，不按傳統(tǒng)的設(shè)計與制造模具路線制作砂芯，而是采用“快速制造”技術(shù)將砂芯三維圖文件輸入HRPS-Ⅳ選擇性激光燒結(jié)快速成形機中直接制作砂芯（然后將砂芯合型、澆注而得到鑄件），它是本次換擋閥閥體鑄件工藝方案中能否快速獲取鑄件毛坯的關(guān)健內(nèi)容。

2.3.1 砂芯三維圖工藝設(shè)計及輸入、制芯

將砂芯三維圖文件輸入HRPS-Ⅳ特定設(shè)備后，它首先將砂芯的三維模型用切片軟件分割成若干層二維“切片”，然后利用激光選擇性地?zé)Y(jié)“切片”區(qū)域內(nèi)的寶珠覆膜砂，每燒結(jié)完成一層切片后，再鋪上一層覆膜砂繼續(xù)燒結(jié)。如此層層累加，直至砂芯三維件制成為止。

在砂芯工藝設(shè)計中，盡管鑄件內(nèi)腔油道復(fù)雜、形狀各異，但應(yīng)用“快速制造”技術(shù)可以將鑄件外部形狀與內(nèi)部油道的砂芯做成為一個整體，無須進行多個砂芯取模與粘接組合，而直接得到形狀完整、內(nèi)部致密及尺寸準(zhǔn)確（精度±0.2mm）的整體砂芯如圖6所示。

2.3.2 砂芯后處理

砂芯在經(jīng)HRPS-Ⅳ特定設(shè)備制成后，須經(jīng)以下后處理工序后，才能進行合型、澆注。

1）砂芯檢查及修補、初烘烤

按砂芯三維圖的工藝尺寸對制成的砂芯進行尺寸及形狀檢驗。剛制成的砂芯可能有局部細小的多砂或少砂缺陷，此時必須細心檢查。去除多砂部位、修補少砂缺陷，并在150℃±5℃的烘箱內(nèi)對砂芯初烘烤2.0h后隨爐緩冷至室溫取出。

2）砂芯浸涂、再烘烤

砂芯在調(diào)配好的水基涂料內(nèi)浸涂，做到均勻浸涂無堆積，并對砂芯在170℃±5℃烘箱內(nèi)再烘烤1.0h后隨爐緩冷至室溫。為防止砂芯初烘烤與再烘烤時發(fā)生變形，必須將砂芯放置在鑄鐵平板或平臺上，并用砂質(zhì)墊塊將砂芯芯頭墊靠后再進行烘烤，如圖7所示。

3）砂芯鉆排氣孔

為利于砂芯在澆注時排氣順暢，在砂芯主閥孔油道上用手電鉆鉆φ3mm×40mm排氣孔（兩端共8處）后待用（合箱、澆注）。所鉆排氣孔如圖8所示。

圖6 鑄件整體砂芯

圖7 砂芯浸涂及墊靠

圖8 鉆排氣孔

2.4 造型、合箱

在澆注過程中，確保砂型與砂芯順暢排氣也是獲取合格鑄件的關(guān)健控制因素之一。因此，采取的排氣措施有4點：1）將砂芯在后處理階段鉆排氣孔（如圖8所示）；2）按工藝方案要求一個不少地安放四個冒口，以利于型腔排氣；3）在鑄型的分型面、上型面劃（扎）出排氣溝槽，如圖9所示，并且合箱操作時保持暢通；4）澆注時在排氣孔位置放上已燃物如木屑等以便將排出氣體迅速引燃，如圖10所示，加快砂芯排氣。

圖9 鑄型特殊排氣孔

圖10 易燃物澆注引火

造型使用DS-10雙臂連續(xù)式樹脂砂混砂生產(chǎn)線，砂箱尺寸為500mm×400mm×130mm.采用壓鐵壓箱時盡量避開上型面排氣孔，如圖9b）所示。

2.5 鐵液控制

鑄件材質(zhì)牌號QT450-10，為鑄態(tài)鐵素體基體球墨鑄鐵。為此，為了確保鑄件致密無疏松、鑄態(tài)下有較好延伸率的工藝性能，鐵液化學(xué)成分控制要求是執(zhí)行高碳、低硅、低錳原則[4]。其化學(xué)成分控制范圍如表1所示。

表1 換擋閥的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

為達到鐵液控制要求，原材料及配料比例為：Q10生鐵（50%）、回爐鐵（45%）、廢鋼（5%）、T-1球化劑（1.3%）、75硅鐵孕育劑（0.5%）等。因為回爐料中已含有部分錳量，為防止鐵液中錳量超標(biāo)，工藝要求不允許在配料中再添加錳鐵。

鐵液熔煉設(shè)備為0.5 t/h中頻感應(yīng)電爐。

鐵液球化孕育處理采用堤壩式裝填球化劑、其上覆蓋孕育劑、再蓋專用球化蓋板等的3步工藝法要求，整個處理與扒渣及取樣時間不允許超過4 min.

檢測性能用的試棒為單鑄敲落試棒，其毛坯尺寸為 φ25mm×180mm（GB/T1348-2009）.

2.6 澆注

澆注溫度選取1370℃～1395℃，并且控制每型澆注時間范圍不超過10.5 s.同時，為了保證球化質(zhì)量、防止孕育衰退，澆注時澆注過程中進行人工瞬時孕育，孕育劑瞬時漏入量0.08%，孕育時間不超過8.0s.另外，澆注前點燃鑄型排氣溝槽處的易燃物，以便加強砂芯排氣。

3 結(jié)果及分析

3.1 過程參數(shù)

按“快速制造”技術(shù)制作4件砂芯，自砂芯三維工藝設(shè)計到快速成形機制作完成共用時10個工作日；首次試制澆注使用2件砂芯；自砂芯后處理至造型、合箱、澆注及鑄件樣件交付等共用時5個工作日。

鐵液處理過程中出爐溫度1491℃；澆注溫度1373℃～1385℃；澆注時間分別為 8.0s、9.8 s；單鑄試棒澆注時測得溫度為1375℃.

3.2 性能檢測

鑄態(tài)下將試棒機械加工并送檢，檢測結(jié)果達到QT450-10牌號性能要求（如表2所示）；金相組織如圖11所示，球化率達到85%以上。

表2 力學(xué)性能

圖11 敲落試棒金相組織×100

3.3 鑄件尺寸收縮率

對鑄件進行解剖，實際測量的鑄件收縮率為：在鑄件外形尺寸上的收縮率約為1.04%；在砂芯尺寸上的收縮率約為0.55%，均與工藝方案中選取的參數(shù)基本一致。同時，各部位的加工余量都在設(shè)計控制的要求范圍之內(nèi)。

3.4 鑄件致密性

將鑄件從分型面位置上并通過閥體主孔直徑方向整齊切開，沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、疏松缺陷，鑄件斷面組織均勻一致。

3.5 缺陷及分析

在對2件鑄件檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)其中1件在內(nèi)腔油道口的小凸臺上有一個mm左右的缺口現(xiàn)象如圖12a）所示。經(jīng)過對同批制作但還未使用的砂芯檢查后發(fā)現(xiàn)，確認是在砂芯后處理過程中該處砂芯存在遺留的多砂缺陷未被檢查出來，造成在澆注后該處小凸臺上出現(xiàn)缺口缺陷。

圖12 鑄件缺口

根據(jù)上述分析，預(yù)防鑄件缺口缺陷的措施重點是加強對“快速制造”砂芯后處理過程控制，真正做到砂芯不能存在多砂、少砂或涂料堆積現(xiàn)象；同時，現(xiàn)場挽救措施是對缺口部位進行點焊，如圖12b）所示，達到使用性能要求，減少了試制損失。

4 結(jié)束語

試制后期又采取上述工藝方案再次進行生產(chǎn)澆注，鑄件內(nèi)腔的細小缺口缺陷問題被根除，鑄件的整體質(zhì)量穩(wěn)定一致，因此在15個工作日之內(nèi)及時完成了從接手鑄件設(shè)計資料開始至鑄件樣件合格交付鑄件的試制任務(wù)。同時，對首套鑄件新品鑄件的機械加工檢查、在試驗臺上裝配試驗、在用戶的挖掘機上裝機運行驗證后，鑄件的尺寸、致密性及試驗、使用性能參數(shù)都經(jīng)受了考驗，達到了設(shè)計性能要求。

從首次使用“快速制造”技術(shù)快速完成新品鑄件交付任務(wù)的效果看來，在多品種、小批量、短周期現(xiàn)代市場競爭形勢下，對于挖掘機換擋閥閥體類鑄件新品開發(fā)方案中應(yīng)用“快速制造”技術(shù)，從根本上可以改變“做新品鑄件必先做模具”的傳統(tǒng)制造模式，可有效克服傳統(tǒng)方法存在的模具加工周期長、修改不變、復(fù)雜件難以制造等問題，大大節(jié)省鑄件制造時間，降低開發(fā)成本，對鑄造行業(yè)的技術(shù)提升也具有十分重要的意義。

［1］魏兵.鑄件均勻凝固技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998（6）：20-21.

［2］中國機械工程學(xué)會鑄造分會編.鑄造手冊：第1卷［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2002：64-65.

［3］中國機械工程學(xué)會鑄造分會編.鑄造手冊：第5卷［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2002：212-214.

［4］中國機械工程學(xué)會鑄造分會編.鑄造手冊：第1卷［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2002：338-341.

［5］黃放.快速成形技術(shù)及其發(fā)展［J］.鑄造設(shè)備研究，2004（2）：46-50.