液壓支架高性能鑄鋼件澆注補縮工藝設計

李曉霞

（山西平陽重工機械有限責任公司，山西 侯馬 043003）

鑄鋼是重要的工程材料，廣泛應用于國民經(jīng)濟發(fā)展的各個工業(yè)部門，在各個行業(yè)中占有重要地位，但是鑄鋼熔點高、收縮率大，在凝固過程中容易產(chǎn)生縮孔、縮松及裂紋等收縮和應力缺陷。液壓支架在煤礦井下使用對安全系數(shù)要求很高，因此在液壓支架的生產(chǎn)過程中，對底座、頂梁中的重要受力柱窩、柱帽鑄鋼件的制造工藝提出了很高的要求。國內高端液壓支架的生產(chǎn)比重正逐步增加，隨著支架采高增加，支護強度增大，液壓支架鑄鋼件柱窩柱帽的結構尺寸也趨于大型化，大型鑄鋼件帶來了更為嚴重的縮孔缺陷和開裂缺陷，為應對高端液壓支架的大型鑄鋼件出現(xiàn)上述質量問題，對其結構特殊性進行了分析，結合原有生產(chǎn)工藝，制定出針對性更強、更為合理的澆注補縮工藝。

1 高端支架柱帽（柱窩）結構分析

柱帽（材質ZG30SiMn）是液壓支架的重要受力件，與立柱柱頭相結合，用以承受立柱的支撐力和來自頂板的壓力，柱帽結構見圖1，其設計質量的好壞直接關系到支架能否設計成功，因此設計中必須保證具有足夠的強度與剛度。柱帽結構設計的最終目的就是在滿足給定剛度和強度要求下使柱帽的重量達到最小[2]。依據(jù)柱帽與柱頭間的加載方式，在滿足一般強度要求的條件下，普通液壓支架柱帽大多可設計成空心十字筋結構，選定柱帽外圓半徑R，十字筋厚度b（共4條）和十字筋高度h 作為優(yōu)化結構設計的變量。與普通液壓支架不同，高端液壓支架在大采高、超大采高和大的工作阻力要求下，結構設計中常出現(xiàn)一些外形尺寸“高大”和斷面尺寸特別“厚大”的柱帽（柱窩），其結構特點主要有以下兩種。

圖1 柱帽結構示意圖

1）十字筋高度h 較大，且十字筋高厚比h/b 較大的柱帽；

2）十字筋厚度b 較大或底部無減重槽設計的柱帽（柱窩）。

生產(chǎn)中結構特殊的鑄鋼件，其凝固方式、補縮方式和工藝方案均存在特殊性，普通支架鑄鋼件的工藝方法并不完全適用。

2 高端支架高性能鑄鋼件缺陷分析

2.1 十字筋高厚比h/b≥3 柱帽的缺陷分析與優(yōu)化1）缺陷形成分析

某高端支架柱帽長700mm、高495mm、重503kg，首批20件柱帽拋丸后，在無任何外力的作用下，出現(xiàn)貫穿球窩和十字筋的穿透性裂紋缺陷，裂紋從球窩到十字筋底部穿透厚度達303mm.對零件取樣進行化學成分分析和機械性能檢測，均在要求控制范圍內。原工藝方案缺陷示意圖如圖2所示。

運用“熱節(jié)系統(tǒng)性與動態(tài)性”[1]研究理論對原工藝進行分析，揭示穿透性裂紋缺陷產(chǎn)生的原因及其與鑄件結構設計的關系：所謂“熱節(jié)系統(tǒng)性與動態(tài)性”，即鑄件澆注以后的冷卻凝固過程中，其“熱節(jié)”（Hotspot，在凝固過程中，鑄件內比周圍金屬凝固緩慢的節(jié)點或局部區(qū)域）的位置、大小、數(shù)量隨著整個鑄件和鑄型系統(tǒng)中的各幾何因素、物理因素、工藝因素的改變而改變。圖2中所示的柱帽十字筋幾何相交的中心區(qū)域，是鑄件的幾何熱節(jié)；工藝中由于十字筋上放置的2個冒口形成的局部高溫區(qū)域，是鑄件的接觸熱節(jié)；工藝因素的熱效應使十字筋上放置冒口的筋成為“熱筋”，另一條筋相對成為“冷筋”：

圖2 原工藝缺陷示意圖

a）凝固初期，“冷筋”對十字筋中心軸線的幾何熱節(jié)造成加熱作用。十字筋厚度b 越小，“冷筋”凝固速度越快，凝固時間越短，對十字筋幾何熱節(jié)所聚集的本來很少的熱量導出就越迅速，使十字筋幾何熱節(jié)變成相對“冷節(jié)”，使十字筋中心軸線的幾何熱節(jié)從中心朝向冒口下方的接觸熱節(jié)分隔成為2個熱節(jié)。

b）凝固后期，“冷筋”對十字筋中心軸線的幾何熱節(jié)造成冷卻作用。凝固末期，“冷筋”先行凝固，受到兩側熱節(jié)和冒口凝固收縮拉應力的作用。當收縮拉應力大于“冷筋”（固相已形成骨架的液固混合態(tài)）的極限強度時，“冷筋”在不受任何外力的作用下產(chǎn)生沿球窩中心的穿透性裂紋缺陷。

c）生產(chǎn)實踐證明：十字筋高厚比h/b 越大，熱節(jié)分裂越早。當十字筋高厚比h/b≥3時，容易產(chǎn)生穿透性裂紋缺陷。（如某高端支架柱帽十字筋高度h=206mm，十字筋厚度b＝60mm，高厚比h/b≈3.44生產(chǎn)中出現(xiàn)了裂紋）。

2）優(yōu)化方案

優(yōu)化原工藝冒口位置（冒口移至十字筋中間）和數(shù)量（由2個改為1個），從而改變工藝因素對鑄件凝固過程中熱節(jié)變化和收縮應力分布影響，徹底消除了熱裂紋缺陷。鑄造工藝中冒口位置和數(shù)量需根據(jù)鑄件的幾何結構來調整，冒口的位置應減少鑄件應力集中，減輕對鑄件的收縮阻礙，以免引起熱裂紋缺陷。

2.2 截面特別厚大的柱帽（柱窩）的縮孔缺陷分析

1）缺陷分析

高端支架從強度角度考慮，柱帽十字筋厚度b尺寸較大，底部熱節(jié)直徑可達φ120mm～φ180mm以上，還有部分柱帽無十字筋減重槽設計，底部為厚大板狀實心結構（如圖3）.這類鑄件批量生產(chǎn)時冒口根部常產(chǎn)生縮孔缺陷，嚴重時返修率高達70%～80%，縮沉深度達50mm～80mm.縮孔缺陷一方面會使鑄件有效承載面積減小，另一方面易引起應力集中，使鑄件力學性能降低，后續(xù)工藝中采取增大冒口尺寸的措施，效果不明顯，且增加了鑄件的非生產(chǎn)性消耗，使鑄件工藝出品率僅40%.

根據(jù)“熱節(jié)系統(tǒng)性與動態(tài)性”理論，冒口與鑄件相連部位會形成新的接觸熱節(jié)。圖3為某柱帽工藝，冒口高度260mm，冒口頸尺寸215mm×180mm.

圖3 無減重槽設計的實心板狀柱帽

從整個工藝布置上看：

a）冒口頸無論安放在正對柱帽大平面的任何部位，均容易造成T 形熱節(jié)，同時鑄件原有熱節(jié)由于冒口的安置而加大（即R＞r）.

b）按照一般鑄鋼件順序凝固理論的設計原則，鑄鋼件模數(shù)放大20%，就是所需冒口的模數(shù)，但是由于新的接觸熱節(jié)的產(chǎn)生，和所有高溫金屬液流經(jīng)冒口頸的熱效應，致使冒口頸處的實際物理熱節(jié)遠大于冒口，最后凝固得不到補縮，因而出現(xiàn)冒口頸根部的縮孔缺陷。

c）接觸熱節(jié)R 是隨著冒口寬度B 的增大而增大，繼續(xù)增大冒口的體積只能惡化冒口根部的凝固環(huán)境，使得鑄件澆冒系統(tǒng)的凝固順序是由鑄件-到冒口-再到冒口頸區(qū)域，這就是板類結構柱帽批量生產(chǎn)縮孔缺陷多的主要原因。

底部截面厚大（熱節(jié)圓直徑φ120mm～φ180mm）的柱帽在傳統(tǒng)順序凝固理論指導下進行的補縮系統(tǒng)設計，同樣由于上述原因造成冒口頸根部補縮的困難。

2）優(yōu)化方案

“動態(tài)順序凝固理論”是由美國通用公司卡賽博士提出，在充分詮釋熱節(jié)的系統(tǒng)性（幾何熱節(jié)，物理熱節(jié)，接觸熱節(jié)）和動態(tài)凝固過程等概念的基礎上形成，強調了工藝中冒口與鑄件的連接原則是不能造成大的接觸熱節(jié)，冒口可以偏離鑄件熱節(jié)，冒口的模數(shù)可以小于或等于鑄件幾何熱節(jié)的模數(shù)，利用朝向冒口的補縮流通效應實現(xiàn)動態(tài)順序凝固。

據(jù)此形成了以下優(yōu)化方案：原工藝冒口尺寸不變，將冒口移至柱帽的端面，兩個鑄件共用1個冒口，避免T 形熱節(jié)的產(chǎn)生；采用點澆冒口工藝，強化鑄件自下而上順序凝固的溫度梯度，充分發(fā)揮厚壁鑄件的“自補”作用。經(jīng)過這樣的改進，柱帽消除了縮孔缺陷。

3 總 結

1）在液壓支架的個性化設計下，不同支架鑄鋼件結構構成具有一定的類似性，但是從鑄造工藝設計的角度分析，其實際結構上又存在較大的差異性，批量快速生產(chǎn)的支架產(chǎn)品，有必要對生產(chǎn)工藝進行細化歸類。

2）鑄件熱節(jié)是系統(tǒng)的和動態(tài)的，鑄件的幾何熱節(jié)不一定是鑄件最后的凝固部位，鑄件最后凝固的部位在凝固前期也不一定是鑄件的熱節(jié)。高端液壓支架中結構特殊的鑄鋼件，其澆注補縮工藝存在著特殊性。

3）高端支架鑄鋼件厚大結構多與性能高要求，動態(tài)順序凝固理論明確鑄鋼件工藝設計中冒口與鑄件的連結原則是不能造成大的“接觸熱節(jié)”，鑄鋼件冒口可以離開熱節(jié)，實現(xiàn)動態(tài)順序凝固，從理論和實踐上解決了傳統(tǒng)順序凝固工藝的不足，有效解決了高端支架鑄鋼件的縮孔缺陷問題。

[1]范金輝，魏兵，汪峰.鑄件熱節(jié)系統(tǒng)性的研究[J］.鑄造技術，2000（3）：25-28.

[2]徐亞軍，蒲寶山，朱軍.液壓支架柱帽的有限元分析及其優(yōu)化[J］.煤礦機械，2005（10）49-51.

[3]范金輝，魏兵.鑄鋼件冒口離開熱節(jié)補縮機理的研究[J］.鑄造設備研究，2000（1）：40.