厚大斷面球墨鑄鐵飛輪無(wú)冒口鑄造

楊恒遠(yuǎn)，畢海香，劉繼波，王潘興，于建忠

（濰柴重機(jī)股份有限公司， 山東 濰坊 261001）

厚大斷面球墨鑄鐵飛輪是我廠大功率船用發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要運(yùn)動(dòng)部件，對(duì)其材料及內(nèi)在質(zhì)量要求較高，尤其與曲軸聯(lián)接部位不允許出現(xiàn)縮孔縮松缺陷，且要求對(duì)鑄件進(jìn)行超聲波探傷。該飛輪材質(zhì)為QT400-15，毛坯重量約2t，輪廓尺寸（直徑×厚度）為1670mm×190mm，最大斷面厚度為150mm.由于結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的原因，該鑄件內(nèi)部極易出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷。飛輪簡(jiǎn)圖見圖1.

圖1 飛輪簡(jiǎn)圖

1 原工藝方案

該飛輪采用堿性酚醛樹脂自硬砂造型，底面采用冷鐵工藝，頂面采用發(fā)熱冒口工藝，鐵水由飛輪外圈頂面12道寬扁形澆道進(jìn)入型腔，在內(nèi)圈頂部放置2件保溫暗冒口，大平面放置8個(gè)出氣冒口。原工藝示意圖見圖2.

圖2 原工藝示意圖

采用此工藝生產(chǎn)8件，在后續(xù)清理及加工過程中發(fā)現(xiàn)廢品4件，廢品率高達(dá)50%，同時(shí)該工藝方案鑄件非加工面存在夾渣、冒口根部存在塌陷及縮松等缺陷如圖3所示，且該工藝的工藝出品率較低。

2 原因分析

分析認(rèn)為：1）澆注過程中鐵水內(nèi)的夾雜物未得到有效過濾，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生夾渣缺陷；2）保溫暗冒口的鐵液直接通過冒口徑進(jìn)入鑄件，雖然提高了鐵液的補(bǔ)縮效率，但也造成了冒口徑部位過熱，導(dǎo)致縮松。

圖3 缺陷圖片

根據(jù)均衡凝固理論[1]，鐵液冷卻要收縮，鑄件凝固時(shí)析出石墨要產(chǎn)生體積膨脹，在一定的條件下，薄壁部分或大件的邊角部分提前進(jìn)入共晶膨脹，可對(duì)心部甚至全部鑄件補(bǔ)償正在進(jìn)行的收縮，從而使鑄件的表觀收縮相應(yīng)減小。均衡凝固理論就是采取工藝措施，使單位時(shí)間的收縮與補(bǔ)縮、收縮與膨脹按比例進(jìn)行動(dòng)態(tài)疊加的工藝原則。厚大鑄鐵件由于模數(shù)大、冷卻時(shí)間長(zhǎng)，在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)晶粒粗大、工藝出品率低等缺陷。特別是用傳統(tǒng)大冒口補(bǔ)縮鑄件時(shí)，不僅冒口根部組織惡化，而且還經(jīng)常伴隨著縮孔、縮松等缺陷[2]。對(duì)于厚大斷面球墨鑄鐵飛輪，由于其收縮時(shí)間長(zhǎng)，收縮相對(duì)分散，單位時(shí)間降溫少，容易被同時(shí)間鑄件先凝固析出石墨產(chǎn)生的膨脹所補(bǔ)償，表觀收縮很小。利用澆注系統(tǒng)的后補(bǔ)縮，澆注結(jié)束后澆注系統(tǒng)短期暢通的補(bǔ)縮作用和凝固過程中的石墨化膨脹來(lái)補(bǔ)償鐵液的冷卻、凝固收縮。因此，我們認(rèn)為該飛輪可以采用無(wú)冒口工藝。

3 鑄造工藝改進(jìn)

3.1 一次改進(jìn)

為了消除鑄件存在的縮松、夾渣缺陷及工藝出品率低等問題，對(duì)原工藝方案進(jìn)行了第一次改進(jìn)：

1）上型取消2個(gè)保溫暗冒口，提高工藝出品率；在原冒口位置布置冷鐵，增加溢流冒口4處，并且增加砂胎出氣，使鐵水中的夾渣等可以通過溢流冒口溢出，見圖4改進(jìn)措施。

2）下型增加內(nèi)圈冷鐵數(shù)量，提高激冷效果和鑄型的剛度，見圖5改進(jìn)措施。

3）澆注時(shí)采用拔塞工藝，提高擋渣、過濾鐵水效果，見圖6改進(jìn)措施。

在第一次改進(jìn)后，工藝出品率顯著提高，鑄件非加工面的夾渣缺陷得到了根本解決，同時(shí)飛輪與曲軸聯(lián)接部位未發(fā)現(xiàn)縮松缺陷，但是在外圈螺栓孔部位發(fā)現(xiàn)依然存在縮松缺陷，如圖7所示。

圖4 改進(jìn)措施

圖5 改進(jìn)措施

圖6 改進(jìn)措施

圖7 飛輪解剖圖片

3.2 二次改進(jìn)

針對(duì)外圈出現(xiàn)的縮松缺陷，首先利用magma模擬軟件進(jìn)行了模擬，圖8為熱節(jié)分布情況，即圖中顯示為最后凝固部位的孤立液相區(qū)。

圖8 熱節(jié)分布情況

從中不難看出，實(shí)際出現(xiàn)縮松的部位跟模擬結(jié)果基本相符，即在最外圈冷鐵和中圈冷鐵分布不均勻的大間隙位置且靠近鑄件的上平面。我們認(rèn)為冷鐵之間的間隙過大導(dǎo)致鑄件在凝固的過程中間隙部分冷卻速度慢，在最后冷卻的部位出現(xiàn)縮松。

針對(duì)模擬結(jié)果，使用均衡凝固理論設(shè)計(jì)并重新模擬，根據(jù)結(jié)果再校正改進(jìn)工藝[3]。對(duì)上、下模板的冷鐵分布重新進(jìn)行了調(diào)整：①下模板外圈和中圈冷鐵在原有數(shù)量基礎(chǔ)上進(jìn)行增加，同時(shí)在外圈和中圈之間熱節(jié)集中的部位重新設(shè)置一圈冷鐵，減少鑄件熱節(jié)，調(diào)整鑄件熱節(jié)點(diǎn)的冷卻速度；②在上模板處內(nèi)圈冷鐵由原先的6塊小冷鐵改為5塊大冷鐵，同時(shí)在鑄件非加工上平面增加冷鐵，提高鑄型的激冷效果，進(jìn)一步提高鑄型強(qiáng)度，詳見圖9.

圖9 調(diào)整冷鐵布置

重新生產(chǎn)6件，經(jīng)過加工、超聲波探傷后，未發(fā)現(xiàn)縮松缺陷，完全符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1）通過拔塞澆注工藝，可有效提高擋渣效果，解決鑄件夾渣缺陷。

2）該飛輪由原先有冒口工藝改為無(wú)冒口工藝說明，根據(jù)均衡凝固理論，對(duì)厚大斷面球墨鑄鐵件只要合理的利用外冷鐵就完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造，這樣不但可以提高鐵液利用率，保證鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，而且顯著提高了工藝出品率，有效的降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

[1]魏兵，袁 森，張衛(wèi)華．鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用[M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]任金喜，徐衛(wèi)平，周正偉，等.均衡凝固理論在厚大鑄件上的應(yīng)用[J］.機(jī)械工人，1997（6）：11-12.

[3]李丹，李日，時(shí)東娜，等.球鐵機(jī)車件兩種鑄造工藝設(shè)計(jì)方法的數(shù)值模擬優(yōu)化[G］//第五屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集，2009.

[4]暴趙鴻，劉建民，郝寶云.無(wú)冒口鑄造工藝在某球鐵鑄件上的應(yīng)用[J］.鑄造設(shè)備與工藝，2009（4）：36-37.