汽車12.5 m 縱梁封板成型模具的鑄造工藝設(shè)計與生產(chǎn)實踐

李章新，鄭建斌，張 祥，張志清

（福建興航機械鑄造有限公司，福建長樂 350203）

縱梁封板成型模具是用于生產(chǎn)車輛底盤縱梁封板，要求相對不高的民用載重汽車的縱梁封板成型模具制作多采用分塊制作，組裝拼接而成。但軍用特種載重汽車對車輛底盤縱梁封板要求極高，軍用12.5m縱梁封板成型模具是目前國內(nèi)第一家獨立設(shè)計制造的、最長的、整體壓制的模具，壓力機噸位達6300t.其使用狀況決定了縱梁封板成型模具不但需要有很高的機械性能，而且需要有較高的沖擊性能和反復(fù)使用性能。因此，縱梁封板成型模具鑄件組織必須致密，整體有良好的鑄造內(nèi)在質(zhì)量，無鑄造缺陷，鑄件必須符合JB/T5000.14-2007Ⅱ級磁粉探傷及超聲波探傷檢測標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求。

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性及技術(shù)要求入手，通過工藝方案的確定，工藝參數(shù)的選取，生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制等方面對縱梁封板成型模具的工藝技術(shù)、過程控制進行了探索性研究和針對性實踐，取得良好效果，為類似鑄件的生產(chǎn)，積累了一些新的工藝參數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗。

1 技術(shù)條件及結(jié)構(gòu)工藝性

鑄件結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.1 輪廓尺寸、化學(xué)成分及機械性能

長度12500mm、寬度1380mm、高度580mm，工作面12500mm×720mm×280mm，結(jié)構(gòu)左右對稱、前后對稱。模具材質(zhì)為ZG270-500，毛重約42t.主要化學(xué)成分及機械性能如表1、表2所示。

1.2 主要技術(shù)要求

1）縱梁封板成型模具必須整體鑄造成型，機械性能應(yīng)滿足國標(biāo)GB/T33522—2009要求。

2） 工作表面按機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T5000.14-2007）進行磁粉探傷檢查，探傷等級Ⅱ級，所有位置均按機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T5000.14-2007）進行超聲波探傷檢查，探傷等級Ⅱ級。

圖1 縱梁封板成型模具結(jié)構(gòu)簡圖

表1 主要化學(xué)成分 （質(zhì)量分數(shù)，%）

表2 主要機械性能

3）鑄件應(yīng)充分考慮其收縮量，鑄件所有加工面均需放置加工余量，鑄造公差按JB/T5000.6-2007 CT14級執(zhí)行。

4）鑄件應(yīng)進行熱處理，消除應(yīng)力，消除魏氏組織，改善晶粒組織結(jié)構(gòu)。

1.3 鑄造工藝性分析

縱梁封板成型模具鑄件具有四個顯著特點：

1）長度特別長，達12.5m，是我公司成立以來承制生產(chǎn)的最長鑄件；

2）質(zhì)量要求特別高，縱梁封板成型模具工作中要承受6300t較大工作載荷，因此鑄件不能有裂紋、砂眼、氣孔、縮孔等缺陷，需進行磁粉和超聲波探傷檢查；

3）泥芯特別多，成型模具不僅自身泥芯多，而且造型方式主要以組芯造型為主；

4）重量特別重，鑄件凈重達42t，鋼水重量達66t.

這4個特點，給鑄造工藝設(shè)計與生產(chǎn)組織帶來了以下3個方面難題：

1）鑄件尺寸及形狀控制難度大。由于成型模具長度長，長度方向鑄件阻礙較大，而且存在較多可能影響鑄件變形因素。

2）容易出現(xiàn)鑄造缺陷。由于模具又長又重，而且泥芯又多，凝固收縮阻礙較大，冷卻過程應(yīng)力大，澆注過程中伴隨有大量氣體產(chǎn)生等。鑄造生產(chǎn)過程控制不到位，就容易產(chǎn)生裂紋、掉砂、澆不足、氣孔、夾砂等鑄造缺陷。

3）縱梁成型模具鑄件長寬之比達9，屬于超長、輪廓較復(fù)雜類鑄件，鑄件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性較差，局部位置的壁厚差別懸殊，厚大部位容易產(chǎn)生縮孔，聯(lián)接部位就易出現(xiàn)縮松、裂紋缺陷，并將嚴(yán)重影響模具的的整體強度和使用壽命。

這些都是12.5m縱梁封板成型模具鑄件生產(chǎn)難點所在，必須在工藝設(shè)計時事先予以考慮，在鑄件生產(chǎn)過程中加強控制。

2 鑄造工藝方案的確定

2.1 確定澆注位置及分型面

澆注位置的確定是鑄造工藝設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到鑄件內(nèi)在質(zhì)量及尺寸精度。在綜合分析了縱梁封板成型模具的結(jié)構(gòu)特點及公司現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，選取工作面及受力面放入底部和側(cè)面的工藝方案。其優(yōu)點在于：

1）成型模具工作面是處于朝下澆注位置，防止重要面上產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，有利于保證該處內(nèi)在質(zhì)量要求；

2）便于制模、造型、下芯操作；

3）便于合箱時檢查尺寸；

4）節(jié)省工裝設(shè)備投入，節(jié)能降耗。

澆注位置確定后，選擇非工作面的上平面作為分型面與分模面，見圖2.

圖2 縱梁封板成型模具工藝簡圖

2.2 確定工藝參數(shù)

1）鑄造收縮率。鑄件的鑄造收縮率包括自由收縮和受阻收縮，一般鑄件大都是受阻收縮，鑄件的收縮率不僅與鑄件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點、造型材料有關(guān)，還與鑄件各部分在凝固過程中所遇到的受阻情況有著密切的關(guān)系[1]?？v梁成型模具收縮率的選擇影響很大，由于該件特別長，泥芯多，故長、寬方向收縮阻礙較大，收縮率選為1.7%，而高度方向收縮阻力較小，近于自由收縮，收縮率選為2.0%.

2）加工余量。上表面加工余量定為25mm，下表面加工余量定為15mm，長度方向側(cè)面加工余量定為30mm，其余定為20mm.

3）分型負數(shù)。根據(jù)我公司的生產(chǎn)實際，縱梁封板成型模具的分型負數(shù)選定為3mm.

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

12.5m縱梁成型模具鑄件如何防止其變形是鑄造工藝設(shè)計的重點環(huán)節(jié)。防止變形的工藝措施較多，如設(shè)置反變形量、設(shè)計防變形拉筋等。但防止鑄件變形核心在于如何減少或消除鑄造應(yīng)力[2]。因此，縱梁封板成型模具鑄件工藝設(shè)計中最關(guān)鍵的也是首先考慮的問題是如何控制鑄件的凝固方式。對于材質(zhì)為ZG270-500鑄鋼件為中間凝固方式，通過采取合理澆注系統(tǒng)與冒口、冷鐵等工藝措施，控制成型模鑄件整體趨向同時凝固，局部仍為順利凝固。鑄件同時凝固的最大優(yōu)點是鑄件不容易產(chǎn)生熱裂、應(yīng)力和變形。如果能實現(xiàn)同時凝固，這種變形將會小得多[4]。

因此選擇開放式底注澆注系統(tǒng)，采用兩澆包澆注工藝，兩直澆道從縱梁封板成型模具兩側(cè)分別澆入，內(nèi)澆口避開鑄件厚壁厚大部位，從較薄壁的筋板處引入，同時增加內(nèi)澆道數(shù)目，將鋼水分散引入。

澆注時間與澆注速度的驗算[3]:

這樣的澆注系統(tǒng)，能夠保證充型快速、平穩(wěn)、順暢，有利于夾雜物等雜質(zhì)的上浮，充滿型腔的時間較為適宜，能獲得輪廓完整、清晰的鑄件，可調(diào)節(jié)鑄型內(nèi)的溫度分布，有利于縱梁封板成型模具鑄件實現(xiàn)同時凝固，有利于減少鑄造應(yīng)力，防止鑄件出現(xiàn)變形、裂紋等缺陷。澆注系統(tǒng)簡圖見圖3.

圖3 縱梁封板成型模澆注系統(tǒng)簡圖

2.4 冒口的設(shè)計

此件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上平面較大，而且熱節(jié)點較多，壁厚存在較大差距?？紤]采用明保溫冒口，加設(shè)外冷鐵方式，以達到良好的補縮效果?？v梁封板成型模具冒口工藝簡圖如圖4.冒口計算方法采用模數(shù)法計算，具體的計算方法如下：

1#冒口的選取[1]

1#冒口尺寸200mm×300mm×400mm

數(shù)量：4個，分布在兩端。

2#冒口的選取[1]

2#冒口尺寸220mm×330mm×400mm.

數(shù)量：22個。

除有冒口進行補縮外，還有外冷鐵配合補縮。因此，從計算結(jié)果來看，鑄件工藝出品率符合大件鑄鋼件生產(chǎn)的要求，說明冒口尺寸和數(shù)量的選擇是合適的。

圖4 縱梁封板成型模具冒口工藝簡圖

2.5 外冷鐵的使用

1）在局部厚壁處放置外冷鐵，增強冒口補縮[5]。

2）在筋壁“T”字形、“十”字形交接處下方放置外冷鐵，防止裂紋[5]。

3 生產(chǎn)過程質(zhì)量控制

3.1 模樣制作

由于縱梁封板成型模較長，生產(chǎn)數(shù)量僅2件，如果做成實樣木模將浪費大量木料，增加成本?？紤]成型模存在前后、左右對稱，可以制作成半邊實樣模加上組芯、蓋板泥芯盒、局部泡沫等方式制模。這種綜合方式不存在拔模斜度，既能滿足鑄件尺寸精度要求，又節(jié)約鋼水、木材和木模工時，適宜單件小批量造型，而且造型方法簡單，型腔質(zhì)量也能得到良好保證。

3.2 造型材料及過程控制

鑄件的型砂、芯砂均采用CO2硬化水玻璃砂，熱節(jié)圓角部位放15mm～30mm厚鉻鐵礦砂。鉻鐵礦砂具有更高的耐熱性，而且熱導(dǎo)率比硅砂大幾倍，所以在熱節(jié)較大處覆鉻鐵礦砂有利于防止粘砂及裂紋缺陷的產(chǎn)生，有利于提高鑄件質(zhì)量。

成型模采用地坑手工造型，要求先打好一平砂床，平底砂床中間預(yù)埋設(shè)槽鋼或工字鋼加固砂床，保證砂床強度。用水平儀檢查砂床平整度；然后根據(jù)工藝尺寸要求進行劃線，根據(jù)墨線位置擺放模樣，舂制外型。考慮縱梁成型模鑄件特別長，如果采用砂箱方式制作上箱砂型，對砂箱強度、剛度要求很高，需增加工裝投入，而且在吊運、合箱過程上箱鑄型容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致鑄件變形。因此，上箱型腔的制作選擇蓋板泥芯方式。

澆道用陶瓷型澆管，內(nèi)澆口附近用鉻鐵礦砂，增加砂型耐火度及強度。由于縱梁封板成型模鑄件形狀復(fù)雜，為防止?jié)沧⑦^程中造成粘砂，提高型腔、泥芯的抗粘砂能力，在型、芯表面均勻涂刷與型砂性質(zhì)相匹配的、耐火度較高的醇基鋯英粉涂料，涂料厚度不小于1.0mm.

壓鐵重量要足夠，放置時注意對稱、均勻、穩(wěn)固。

3.3 冶煉澆注

熔煉設(shè)備為5t、10t、15t中頻爐及20t保溫爐，鋼水需66t，鋼水經(jīng)LF精煉爐精煉后，鋼液脫氧、雜質(zhì)去除干凈徹底，鋼液中磷、硫成份控制到較低限，防止縱梁封板成型模具鑄件的冷、熱裂紋傾向。

縱梁封板成型模具澆注溫度設(shè)為1530℃，澆注時2個包孔同時打開，使鋼液快速平穩(wěn)地充滿型腔，保證鋼水低溫快澆，減輕高溫金屬液對鑄型頂部長時間烘烤，有效防止鑄件產(chǎn)生鑄造缺陷。

當(dāng)鋼液恰好上升到冒口300mm左右時，將鋼液包從冒口上部進行點澆冒口，點澆進行一次后，將冒口保溫覆蓋劑放入冒口內(nèi)，將冒口表面覆蓋好。這樣鋼液消耗少，補縮效率高，且保證鑄件的化學(xué)成份不容易變化。

3.4 熱處理

由于縱梁封板成型模性能要求高，因此鑄件熱處理工藝采用正火+回火處理，用以消除鑄造應(yīng)力，使內(nèi)部組織達到機械性能要求。熱處理操作時要注意裝爐時要墊平、墊實，防止變形；加熱冷卻時要保證各處均勻。其熱處理工藝曲線見圖5.

圖5 正、回火熱處理工藝

3.5 鑄件清理

鑄件澆注后在砂箱中的保溫時間須達到100h以上才能開箱，為防止鑄件產(chǎn)生裂紋、變形，澆注24h后必須對稱、逐步去掉壓鐵，松動砂型、砂芯，以減少鑄件收縮的阻礙，防止鑄件變形及產(chǎn)生裂紋。

4 結(jié)束語

清理完鑄件后經(jīng)檢驗，鑄件組織致密，無鑄造缺陷。粗加工和表面精整后作超聲波及磁粉探傷檢測，達到產(chǎn)品技術(shù)要求。縱梁封板成型模具是汽車行業(yè)使用的重要模具之一，各行業(yè)應(yīng)用廣泛。通過該鑄件的成功生產(chǎn)，摸索出了特長、高要求、9m～12.5m類似模具鑄件的工藝參數(shù)及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為拓展國內(nèi)外市場打下一個堅實基礎(chǔ)，必將成為我公司一個新的經(jīng)濟增長點。

[1]中國機械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊第5卷，鑄造工藝[M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[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]鑄鋼手冊編寫組.鑄鋼手冊[M］.北京：機械工業(yè)出版社，1973.

[4]王文清，李魁盛.鑄造工藝學(xué)[M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[5]李魁盛，馬順龍，王懷林.典型鑄件工藝設(shè)計實例[M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.