串聯(lián)澆注系統(tǒng)在小型鑄件上的應(yīng)用

何 媛，李 棟

（寧夏共享裝備有限公司，寧夏 銀川 750021）

對于小型鑄件來說，一箱澆注一件的生產(chǎn)效率很低，因此可以采用一箱多件澆注，來提高鑄件的生產(chǎn)效率。對于鑄型較薄且較高的小型鑄件，如果采用立澆，則可以采用串聯(lián)澆注。串聯(lián)澆注系統(tǒng)就是將鑄件沿著橫澆道依次擺放，并且每個鑄件均有獨立的內(nèi)澆道與橫澆道連接。鐵水會沿著橫澆道，進(jìn)入內(nèi)澆道并最終充滿型腔。借助數(shù)值模擬軟件，可以看出離直澆道最遠(yuǎn)的鑄件總是最先進(jìn)流并最先充滿，離直澆道越近的鑄件，越晚進(jìn)流，也越晚充滿。鐵水分配不均勻?qū)е逻M(jìn)入每一個型腔的鐵水流速都較快。鐵水進(jìn)入型腔的速度較快，會導(dǎo)致沖砂、夾渣、卷氣等現(xiàn)象，這給鑄件的質(zhì)量帶來很大的問題。將鐵水平均分配到每一個型腔中，從而降低鐵水進(jìn)入型腔的流速，對提高鑄件質(zhì)量是非常有必要的。

本文主要是以主軸承蓋為例，來對其進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計，并通過數(shù)值模擬軟件來對其進(jìn)行工藝優(yōu)化和驗證，實現(xiàn)串聯(lián)澆注系統(tǒng)中，各個主軸承蓋能平均分配鐵水，同時進(jìn)流并同時充滿。該主軸承蓋最大輪廓尺寸為440 mm×260 mm×92 mm，三維模型如圖1 所示。

1 實驗研究

1.1 鑄造工藝設(shè)計

該鑄件重62 kg，屬于小型鑄件，并且鑄型較薄，可以采用串聯(lián)澆注?？紤]到砂箱尺寸，確定為一箱四件串聯(lián)澆注。鑄件材質(zhì)為QT600-3，采用開放式澆注系統(tǒng)，直澆道截面積為阻流截面，直澆道橫截面積：橫澆道橫截面積：內(nèi)澆道橫截面積=1∶2.3∶2.6.設(shè)計的最初工藝方案（方案1）如圖2 所示。

圖1 主軸承蓋三維模型

圖2 主軸承蓋串聯(lián)澆注初始工藝方案（方案1）

該澆注系統(tǒng)采用底注式，過濾網(wǎng)在橫澆道之間搭接，增大過濾網(wǎng)附近的橫澆道截面積，可以很明顯的降低流速，增大橫澆道的擋渣效果。對該工藝進(jìn)行充型過程的數(shù)值模擬，可以得到充型過程的瞬時流速，如圖3、圖4 所示。

圖3 鐵水剛充入內(nèi)澆道時的充型流速（方案1）

圖4 鐵水即將充滿整個型腔時的充型流速（方案1）

從圖3 中可以看出，當(dāng)離橫澆道最遠(yuǎn)的鑄件充型到一半時，離橫澆道最近的鑄件才開始進(jìn)流，從圖4 中可以看出，當(dāng)離橫澆道最遠(yuǎn)的鑄件充滿時，離橫澆道最近的鑄件才充到一半。鐵水分配不均勻，導(dǎo)致進(jìn)入每一個鑄件的鐵水流速都較快，因此鑄件中出現(xiàn)較嚴(yán)重的卷氣現(xiàn)象（如圖5 所示），嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量。因此，對該工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得鐵水能均勻分配到各個鑄件中。

圖5 充型過程中卷氣結(jié)果（方案1）

1.2 使得鐵水均勻分配的工藝優(yōu)化改進(jìn)

圖2 中所示的初始方案中，從過濾網(wǎng)到橫澆道集渣坑之間的橫澆道的截面積是相同的。為了防止在充型的初始階段，鐵水率先充入遠(yuǎn)離直澆道的鑄件型腔內(nèi)，考慮可以改變不同鑄件之間的橫澆道截面積，通過控制鐵水流量來實現(xiàn)各鑄件的鐵水均勻分配。將過濾網(wǎng)到橫澆道集渣坑之間的橫澆道的分為四段，每段的橫澆道截面積均不同。設(shè)計的變截面的橫澆道如圖6 所示。將該橫澆道分為4 段，編號為1、2、3、4.S1∶S2=1∶1.1，S2∶S3=1∶1.1，S3∶S4=1∶1.1.借助數(shù)值模擬，對改進(jìn)后的方案（方案2）進(jìn)行模擬評估，充型過程中的流速結(jié)果截圖如圖7、圖8．

圖6 變截面的橫澆道截面圖

圖7 鐵水剛充入內(nèi)澆道的充型流速（方案2）

從圖7 中可以看出，橫澆道中的鐵水幾乎是同時進(jìn)入各個內(nèi)澆道中，并且鐵水是平均分配到各個鑄件中的。從圖8 中可以看出四個鑄件幾乎是同時充滿的。這說明改變橫澆道的截面積對串聯(lián)澆注系統(tǒng)中各鑄件鐵水分配有很明顯的改進(jìn)作用。圖9 為改進(jìn)后的工藝在充型過程中的卷氣結(jié)果，可以看出：卷氣結(jié)果得到了很明顯的改善。

圖8 鐵水即將充滿整個型腔的充型流速（方案2）

2 方案1 與方案2 的結(jié)果比較

2.1 充型過程中的流速比較

對方案1 和方案2 中內(nèi)澆道的流速進(jìn)行比較（圖3 和圖7），可以看出：方案1 中鐵水進(jìn)入內(nèi)澆道的流速平均為280 cm/s，方案2 中鐵水進(jìn)入內(nèi)澆道的流速平均為220 cm/s，也就是說依次減小遠(yuǎn)離直澆道的橫澆道截面積對降低鐵水進(jìn)入內(nèi)澆道的流速有很大作用。

2.2 充型過程中的鐵水流量分配比較

對方案1 和方案2 中的鐵水流量分配進(jìn)行比較（圖3、圖4、圖7 和圖8），可以看出：方案1 中，在充型的開始階段，鐵水幾乎都進(jìn)入了離直澆道最遠(yuǎn)的鑄件型腔中，隨后鐵水才逐漸進(jìn)入離直澆道較近的鑄件型腔中。在充型的中間階段，鐵水在每個鑄件型腔中均有進(jìn)入，但由于在開始階段，遠(yuǎn)離直澆道的鑄件型腔中首先充入了鐵水，因此在中間階段，每個鑄件中鐵水的液面始終呈階梯狀，并且離直澆道最遠(yuǎn)的鑄件液面最高，離直澆道最近的液面最低。在充型的后期階段，離直澆道最遠(yuǎn)的鑄件型腔中已經(jīng)充滿了鐵水，則鐵水分配到還沒有充滿的鑄件型腔中。方案2 中：鐵水從進(jìn)入型腔時就平均分配到各鑄件型腔中，一直到充型結(jié)束，鐵水幾乎都是平均分配到各個鑄件型腔中，也就是說，在充型的全過程中，串聯(lián)澆注的各鑄件型腔中的鐵水液面幾乎相同。從這個結(jié)果可以看出，依次減小遠(yuǎn)離直澆道的橫澆道的截面積可以使串聯(lián)澆注系統(tǒng)中各鑄件的鐵水流量進(jìn)行平均分配。

圖9 充型過程中卷氣結(jié)果（方案2）

2.3 充型過程中的卷氣結(jié)果比較

對方案1 和方案2 的卷氣結(jié)果進(jìn)行比較（圖5和圖9），可以看出：方案1 中的卷氣現(xiàn)象較方案2中的卷氣現(xiàn)象嚴(yán)重的多（圖中有顏色的區(qū)域表明卷氣的傾向）。方案1 中大部分型腔都有卷氣的傾向，而方案2 中只有型腔上部的部分區(qū)域存在卷氣傾向。

3 結(jié)束語

利用串聯(lián)澆注，可以明顯提高小型鑄件的生產(chǎn)效率。對于串聯(lián)澆注系統(tǒng)設(shè)計，將橫澆道設(shè)計為變截面橫澆道可以明顯改善各鑄件型腔中的鐵水分配比例，從而降低了鐵水的流速，改善了卷氣、沖砂、夾渣等現(xiàn)象，提高了鑄件質(zhì)量，也為今后的串聯(lián)澆注系統(tǒng)設(shè)計提供了一種有效的新計算方法。

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