履帶板鏈節(jié)的鑄造工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

魯志武，雷鵬飛，馬 濤

（太原重型機械集團(tuán)有限公司特鑄分公司，山西太原 030024）

隨著工程機械行業(yè)的大力發(fā)展，各類挖掘機、推土機、壓路機等產(chǎn)品得到了廣泛的使用，相關(guān)配件、備件的需求也越來越多，作為工程機械行走系統(tǒng)的履帶板，設(shè)計開始趨于輕量化、節(jié)約化。大部分推土機履帶板改進(jìn)為鑄造和焊接的組合件，不僅大大減低了重量，而且也降低了生產(chǎn)成本，但是對中間部分履帶板鏈節(jié)提出了更高的要求。推土機新式履帶板中間連接部分——鏈節(jié)如圖1所示。

圖1 履帶板鏈節(jié)示意圖

履帶板鏈節(jié)鑄件的重量為300 kg，材質(zhì)為ZG34CrNiMo，輪廓尺寸為870mm×412mm×335mm。該產(chǎn)品生產(chǎn)制造有如下技術(shù)難點。

1）整個鏈條由多個首尾聯(lián)接的鏈節(jié)組裝而成，兩個鏈節(jié)組裝為單耳和雙耳間隙配合；

2）鑄件拐角部位，容易出現(xiàn)粘砂、砂眼、裂紋等缺陷，該處不僅要避免出現(xiàn)上述缺陷而且要求通過MT2級；

3）鑄件表淬部位為圓弧，表淬深度為10 mm，表面硬度為 40HRC，3 mm 處為（52±5）HRC，10 mm處硬度為（35±5）HRC；

4）探傷驗收要求較高，在指定區(qū)域要執(zhí)行DIN 1690-2 ES2-UV2，硬化區(qū)要執(zhí)行 DIN 1690-2 ES1-UV1。如何確定合適的鑄造工藝和設(shè)計適宜的表面熱處理工藝，確保鑄件質(zhì)量和U型槽表淬效果，成為履帶板鏈節(jié)鑄造和熱處理的難點和關(guān)鍵點。

1 鑄造工藝設(shè)計

1.1 鑄造工藝

我公司首先采用傳統(tǒng)鑄造工藝進(jìn)行履帶板鏈節(jié)的生產(chǎn)：從雙耳分型面處澆注，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)鑄造工藝方案

1.2 主要參數(shù)的選擇

1.2.1 鑄件拔模斜度的選取

由于鑄件是毛坯使用，其尺寸的控制相對較嚴(yán)，為避免造型后起模樣時損壞砂型表面，選擇拔模斜度為（-1）°～（+1）°。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點結(jié)合公司的生產(chǎn)實際情況，采用樹脂砂造型，同時為保證鑄件精度和表面質(zhì)量，防止鑄件表面和拐角處發(fā)生粘砂，在鑄件表面和拐角處敷鉻鐵礦砂，并刷涂鋯英粉醇基涂料[1-3]。

1.2.2 澆注溫度

澆注過程中溫度過高，凝固的收縮大，鑄件易產(chǎn)生縮孔和縮松、晶粒粗大及其粘砂等缺陷；溫度過低，可能由于壁薄則易產(chǎn)生澆不足、冷隔、欠鑄等缺陷。因此，適宜的澆注溫度是在保證金屬液充滿鑄型型腔的前提下采用稍低的溫度為宜，考慮到鋼液轉(zhuǎn)運過程中熱量的損失及其鑄件本身等因素，選擇澆注溫度為1560℃～1580℃[1-3].

1.2.3 冒口設(shè)計

為了獲得組織致密無缺陷的優(yōu)良鑄件，尤其要避免在鑄件內(nèi)部出現(xiàn)縮孔、縮松、澆不足等缺陷?？紤]鑄件本身結(jié)構(gòu)特點，放置冒口主要集中在鑄件平整且熱節(jié)部位，采用3個保溫發(fā)熱冒口，加強對鑄件內(nèi)部的補縮，保證產(chǎn)品的質(zhì)量[1-3]。

2 表面熱處理工藝設(shè)計

履帶板鏈節(jié)材質(zhì)為ZG34CrNiMo，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)以及表淬要求，設(shè)計了專用工裝，鑄件豎直放置，表淬面與工裝底座呈90°，表淬刀頭距表淬面4 mm～5 mm，以保證表淬過程順利，從而確保達(dá)到表淬要求[4]。如圖3所示。

圖3 履帶板鏈節(jié)表淬裝置示意圖

3 試驗生產(chǎn)結(jié)果及鑄件CAE模擬分析

按照傳統(tǒng)鑄造工藝所生產(chǎn)的鑄件解剖以后內(nèi)部發(fā)現(xiàn)輕微的縮孔、縮松，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)方案生產(chǎn)的鑄件解剖圖

傳統(tǒng)工藝的CAE模擬如圖5所示，可以看出，圖5a）為鑄件凝固時間為2750 s時的模擬，此時存在4個液相區(qū)（黑色部分），其中3個存在于冒口處，一個存在于鑄件內(nèi)部拉筋處，冒口的液相區(qū)產(chǎn)生的縮孔、縮松會轉(zhuǎn)移到冒口是符合設(shè)計思路的，但拉筋處的液相區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)部的缺陷（圖5b）所示）會嚴(yán)重影響鑄件的使用性能，必須進(jìn)行工藝改進(jìn)[5]。

圖5 傳統(tǒng)鑄造工藝的CAE模擬分析

4 鑄造工藝優(yōu)化及CAE模擬

4.1 工藝優(yōu)化

根據(jù)傳統(tǒng)工藝模擬結(jié)果分析，鑄件在凝固過程中，由于中間部位拉筋模數(shù)大于冒口與交界處之間的模數(shù)，導(dǎo)致補縮通道過早阻斷，影響冒口補縮能力的發(fā)揮，造成縮孔、縮松缺陷的發(fā)生。該履帶板鏈節(jié)鑄造工藝改進(jìn)的要點是消除凝固過程中內(nèi)部的孤立液相區(qū)，保證補縮通道的暢通，實現(xiàn)鑄件的順序凝固。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和缺陷的分布狀況，采用底注式澆注系統(tǒng)，用澆道間接補縮內(nèi)部的孤立液相區(qū)，使得缺陷轉(zhuǎn)移到澆注系統(tǒng)。優(yōu)化的鑄造工藝如圖6所示。

圖6 優(yōu)化的鑄造工藝方案

4.2 優(yōu)化工藝模擬結(jié)果及分析

將優(yōu)化的鑄造工藝進(jìn)行CAE模擬如圖7所示，鑄件在圖7a）所示時間存在4個液相區(qū)，但冒口和澆注系統(tǒng)液相區(qū)與內(nèi)部液相區(qū)相通，起到補縮作用，到圖7b）所示時間，此時存在一個液相區(qū)在冒口處，縮孔、縮松已經(jīng)轉(zhuǎn)移到冒口和澆注系統(tǒng)中，實現(xiàn)了鑄件的順序凝固，保證了鑄件的質(zhì)量。

圖7 優(yōu)化的鑄造工藝方案的CAE模擬分析

5 實際應(yīng)用效果

采用優(yōu)化后的鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件，對其進(jìn)行了磁粉探傷和超聲波探傷，沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，得到了優(yōu)質(zhì)的鑄件。實際生產(chǎn)的鑄件及其解剖片如圖8所示。

圖8 采用優(yōu)化工藝生產(chǎn)的履帶板鏈節(jié)及切片

優(yōu)化工藝生產(chǎn)的鏈節(jié)的試棒成分及其力學(xué)性能檢驗如表1和表2所示。

表1 鑄件標(biāo)準(zhǔn)成分和實際成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 鑄件標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能和實際檢測性能

表淬以后檢測硬度均在客戶要求值以上，符合技術(shù)要求。通過上述的對比，最終確定了履帶鏈節(jié)生產(chǎn)采用優(yōu)化鑄造工藝方案。

6 結(jié)論

通過對履帶板鏈節(jié)鑄造工藝的試制以及CAE模擬缺陷分析，通過改變澆注系統(tǒng)方式，優(yōu)化了鑄造工藝。優(yōu)化工藝實現(xiàn)了履帶板鏈節(jié)的順序凝固，消除了縮孔、縮松等缺陷，生產(chǎn)實踐表明，優(yōu)化工藝生產(chǎn)的履帶板鏈節(jié)內(nèi)部組織致密，質(zhì)量完好，同時還提高了鑄件的成品率，大大提升產(chǎn)品質(zhì)量，從而對以后生產(chǎn)此類鑄件提供了生產(chǎn)經(jīng)驗。

［1］施延藻.鑄造使用手冊［M］.沈陽：東北工業(yè)學(xué)院出版社，1988.

［2］李魁盛.鑄造工藝設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1981.

［3］柳百成，黃天佑.鑄造成冊手冊上［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［5］牟成海.大型鑄鋼件的數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007.