厚平板類(lèi)鑄件疊箱造型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王永宏，安少妮，程行東，曲澤茂

（寧夏共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

圖1 所示鑄件是我司長(zhǎng)期生產(chǎn)的平板導(dǎo)軌類(lèi)鑄件。其重量37 kg，最大壁厚60 mm，最小壁厚45 mm，最大尺寸514 mm。屬于較厚斷面平板類(lèi)鑄件。前期工藝采取普通模板造型，使用770 mm×550 mm標(biāo)準(zhǔn)砂箱，每箱2件。砂鐵比4.3∶1，工藝出品率65%。主要存在的問(wèn)題是砂鐵比高，工藝出品率低。嚴(yán)重影響了此件的生產(chǎn)成本。為了解決這一問(wèn)題，結(jié)合自身現(xiàn)有比較成熟的無(wú)箱造型工藝，同時(shí)不斷改進(jìn)，使得此問(wèn)題得到很好解決，同時(shí)鑄件質(zhì)量也得到了提高。

圖1 導(dǎo)軌三維模型

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 吃砂量設(shè)計(jì)

為了保證砂型具有足夠的強(qiáng)度和剛度，砂型應(yīng)有足夠的吃砂量，吃砂量的大小不僅直接影響著鑄件的成本，同時(shí)還是無(wú)箱造型能否成功澆注的關(guān)鍵因素。對(duì)于脹箱力大的鑄件可在造型時(shí)埋入芯骨以增強(qiáng)砂型剛性，這樣可以有效地解決無(wú)箱造型跑火問(wèn)題。在進(jìn)行吃砂量選擇時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)：1）成本；2）型砂具有足夠的強(qiáng)度；3）澆注過(guò)程由于樹(shù)脂燃燒和操作者緊實(shí)度不足等對(duì)型砂強(qiáng)度的影響；4）方便操作，避免合箱過(guò)程出現(xiàn)夾泥缺陷。

結(jié)合以上因素以及本廠(chǎng)型砂強(qiáng)度。鑄件距離四邊的距離（即吃砂量）定為60 mm?？紤]到鑄件之間的熱影響對(duì)硬度的影響，將底部吃砂量定為60 mm。具體砂芯尺寸如圖2所示.并對(duì)側(cè)邊吃砂量是否足夠做了簡(jiǎn)單的驗(yàn)算。表1為生產(chǎn)此鑄件的型砂配方和其強(qiáng)度值。

表1 型砂配方和其強(qiáng)度值

強(qiáng)度（吃砂量）驗(yàn)算：

鑄件脹箱力 F=71 AH（kN）[1]

式中：

A——鑄型中被鐵液占據(jù)空間的垂直投影面積，m2；

H——鑄件高度與上砂型高度之和，m；

其芯子樣式如圖3所示。

圖2 砂芯尺寸

圖3 最初設(shè)計(jì)方案

A=0.24 m2，H=0.16 m，

計(jì)算得F=2.73 kN.

由于P=F/S，

式中：P——芯子所受到的拉應(yīng)力，MPa；

F——芯子所受到的脹箱力，N；

S——芯子所受力的垂直方向上的截面積，m2.

考慮到緊實(shí)的不穩(wěn)定性以及澆注后樹(shù)脂分解等因素，安全系數(shù)按照4計(jì)算。

最小截面積為寬度方向，其方向所能承受的拉應(yīng)力P0取0.7 MPa.

計(jì)算得P＜＜P0，強(qiáng)度驗(yàn)算合格。

1.2 工藝方案

初步設(shè)計(jì)方案如圖3所示，頂層由4個(gè)扁冒口提供出氣，其余各層由4個(gè)側(cè)氣眼出氣。單層采用半封閉式澆注系統(tǒng)。垂直方向疊放6層。總高度700 mm。四周及地面吃砂量為60 mm，底部吃砂量為61 mm，砂鐵比0.8∶1，工藝出品率72%。整體思路是鐵水逐層充型，以便于型腔內(nèi)氣體的排出。

根據(jù)前期的生產(chǎn)以及顧客反饋來(lái)看，此工藝主要存在的問(wèn)題如下：

1）由于采用封閉式澆注系統(tǒng)，導(dǎo)致下層澆注速度過(guò)快，計(jì)算的底層澆注速度超過(guò)3 m/s，易產(chǎn)生夾渣、沖砂和卷氣等缺陷，如圖4所示。

2）由于出氣面積小，頂層以及其余各層不同程度地出現(xiàn)嗆氣孔問(wèn)題，如圖5所示。

3）由于沒(méi)有考慮補(bǔ)縮因素，頂層以及其余各層出現(xiàn)不同程度的縮沉缺陷。

4）通過(guò)對(duì)澆注過(guò)程的跟蹤，在澆注時(shí)鑄件側(cè)邊設(shè)計(jì)的出氣氣眼，過(guò)早地進(jìn)入鐵水，堵塞出氣通道。

圖4 導(dǎo)軌夾渣缺陷

圖5 嗆氣孔缺陷

隨后對(duì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，如圖6所示。頂層改為由4個(gè)鴨嘴冒口提供出氣和補(bǔ)縮，其余各層改為由2個(gè)側(cè)冒口進(jìn)行出氣和補(bǔ)縮。單層采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)。降低了疊放高度，垂直方向改為5層。同時(shí)利用Mag Ma鑄造模擬軟件對(duì)整個(gè)充型過(guò)程進(jìn)行了模擬，如圖7所示。

圖6 改進(jìn)后工藝示意圖

圖7 改進(jìn)后模擬充型

模擬結(jié)果分析：

1）充型1.5 s時(shí)，橫澆道呈充滿(mǎn)狀態(tài)，內(nèi)澆道鐵水速度在2 m/s左右。

2）充型3.0 s時(shí)，開(kāi)始第二層充型，橫澆道呈不充滿(mǎn)狀態(tài)，橫澆道失去檔渣作用，此時(shí)內(nèi)澆道鐵水速度在0.7 m/s左右。

3）充型13.5 s時(shí)，開(kāi)始第三層充型，同時(shí)第四、五層進(jìn)入少量鐵水。橫澆道呈不充滿(mǎn)狀態(tài)，內(nèi)澆道鐵水速度在0.5 m/s左右。大量鐵水由冒口涌入到鑄件，冒口頸內(nèi)鐵水速度為1.1 m/s左右。

4）充型21.0 s時(shí)，開(kāi)始第四、五層充型。橫澆道仍呈不充滿(mǎn)狀態(tài)，內(nèi)澆道鐵水速度在0.5 m/s左右，冒口頸內(nèi)鐵水速度為1.1 m/s左右。

由模擬結(jié)果來(lái)看整個(gè)充型過(guò)程主要存在以下問(wèn)題：

1）第一層澆注速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 m/s，由此致使鐵水飛濺，產(chǎn)生二次造渣，增大鑄件夾渣風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)鐵水對(duì)型腔壁產(chǎn)生沖刷，導(dǎo)致鑄件夾砂和粘砂缺陷。

2）從第三層開(kāi)始由冒口頸和內(nèi)澆道同時(shí)進(jìn)流，型腔內(nèi)氣體只能通過(guò)型砂之間的間隙外出，使得鑄件產(chǎn)生嗆氣孔缺陷。

3）在充型12 s左右，第四層，第五層開(kāi)始有少許鐵水進(jìn)入，易使鑄件表面形成“鐵豆”缺陷，同時(shí)不符合設(shè)計(jì)之初鐵水逐層充型的思路。

雖然通過(guò)改進(jìn)鑄件縮沉問(wèn)題得到了解決，但依舊存在著澆注速度快、紊流嚴(yán)重、出氣不暢等問(wèn)題，同時(shí)客戶(hù)反饋，也由于夾渣，嗆氣孔缺陷報(bào)廢多件，如圖8、圖9所示。

圖8 嗆氣孔缺陷

圖9 夾渣缺陷

為此對(duì)工藝再一次進(jìn)行了的改進(jìn)如圖10所示，主要的改變有：

1）改變內(nèi)澆道與橫澆道的搭接形式；

2）通過(guò)在橫澆道上設(shè)置活料將整體澆注系統(tǒng)改為底返式；

3）將各層用冒口相連，加強(qiáng)出氣，同時(shí)也便于逐層充型；

4）更改了橫澆道和內(nèi)澆道的端面形狀，采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)。

通過(guò)模擬結(jié)果來(lái)看（如圖11），充型平穩(wěn)，符合逐層充型的設(shè)計(jì)思路，各層出氣暢通。前兩次工藝遇到的問(wèn)題得到了徹底的解決。

圖10 第2批改進(jìn)工藝示意圖

圖11 改進(jìn)后模擬的充型結(jié)果

2 結(jié) 論

通過(guò)利用鑄件模擬軟件的模擬，以及對(duì)導(dǎo)軌鑄件的工藝不斷改進(jìn)，使得砂鐵比由4.3∶1降低到0.8∶1，工藝出品率由65%提高到了72%，同時(shí)鑄件質(zhì)量也得到了穩(wěn)定。

［1］王守志，廖秋玲.樹(shù)脂砂無(wú)箱造型工藝［J］.鑄造技術(shù)，2004（4）：282-283.