小件疊芯造型工藝改進

周樹楊，李棟, 杜文強, 孟慶文,王瑞

（1.寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川 750021；2. 共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

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小件疊芯造型工藝改進

周樹楊1，李棟1, 杜文強1, 孟慶文1,王瑞2

（1.寧夏共享模具有限公司，寧夏銀川 750021；2. 共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

摘要：針對需求量大的小型鑄件,因為單鑄成本高,通常使用疊芯造型工藝，但常規(guī)疊芯工藝鑄件質量不穩(wěn)定，經常出現卷氣、冷隔、夾雜等缺陷。本文旨在通過工藝設計,解決上述缺陷，提高疊芯造型鑄件的質量。

關鍵詞：疊芯工藝；逐層充型；充型模擬

稿件編號:1510- 1085

1 鑄件信息

我公司生產的一種小型鑄件，訂單量大,年需求量千余件。其材質為HT300，單件鑄件質量為38 kg，輪廓尺寸320 mm×270 mm×115 mm，最大壁厚85 mm，最小壁厚16 mm，尺寸精度要求ISO8062-CT11級，實體硬度為187-223HB，單鑄試塊抗拉強度大于300 MPa、硬度小于230 HB。具體鑄件結構如圖1所示，主體方形框架壁厚較薄，兩側地腳則為厚壁。

圖 1 鑄件三維圖

2 工藝設計

2.1 原工藝

針對該鑄件總質量輕與訂單量大的特點，我公司設計了疊芯造型工藝，實現一箱多件，降低砂鐵比，提高工藝出品率和生產效率，達到降低成本的目的。該鑄件毛坯質量38 kg，結合我公司1 t電爐、砂箱尺寸等生產條件，確定一箱六件，分三層的疊芯工藝。

該工藝采用底注式澆注系統(tǒng)，鐵液從型腔底部側面進流，澆道采用開放式比例，降低內澆口流速，使鐵液進流后液面穩(wěn)定上升，保證充型過程平穩(wěn)，避免鐵液飛濺，不利于夾渣和氣孔的形成。

為了方便造型、起模,選擇主體方形框架底面作為分型面,保證鑄件主體結構在同一型內,便于尺寸控制,如圖2所示。

圖 2 分型面

綜上所述，該工藝采用開放式澆注系統(tǒng)，每層澆注系統(tǒng)一致，比例為1∶2.5∶1.8，在澆口盆中設置過濾網，如圖3所示。

圖 3 原工藝三維圖

根據鑄件結構和澆注系統(tǒng)，將砂芯分為四層，主體砂芯活面相同，模具通用,節(jié)約成本，如圖4所示。

圖 4 分芯方案

使用該工藝生產,鑄件經常出現氣孔、冷隔、夾雜等缺陷，廢品率達到23%。

2.2 缺陷統(tǒng)計和充型模擬

針對該產品廢品率高的問題，對2014年生產的800件的缺陷情況進行了詳細的統(tǒng)計，如表 1 所示。

表 1 缺陷統(tǒng)計表

結合工藝和缺陷情況,分析澆注系統(tǒng)設計不當。采用CAE軟件對原工藝澆注系統(tǒng)進行充型模擬，如圖5所示,結果顯示三層鑄件基本同時充型,鐵液通過冒口從上一層型腔進流, 影響該層型腔出氣,鐵液飛濺,卷氣風險大，故澆注系統(tǒng)不合適。

圖 5 原工藝充型過程流速和卷氣模擬

2.3 澆注系統(tǒng)改進

因為原工藝澆注系統(tǒng)不合適，所以必須調整澆注系統(tǒng),重新計算比例，使鐵液平穩(wěn)地逐層充滿型腔，保證渣子通過冒口上浮，且進入每層型腔的鐵液互不干擾，以有效控制氣孔、冷隔、夾雜等缺陷，使鑄件合格、質量穩(wěn)定。

根據鑄件毛坯質量和主要壁厚計算有效澆注時間[1]：

式中，t為鑄件有效澆注時間，s；G為澆注鐵液質量， kg；σ為鑄件的主要壁厚（一般指最薄壁厚），mm；n為澆注系統(tǒng)的組數（或澆包個數）。由此計算可得t=20.2 s。

根據澆注鐵液質量和靜壓頭高度計算阻流截面(直澆道)[2]：

式中，S阻為阻流截面積，cm2；M為金屬流過阻流截面的質量，kg；ρ為灰鐵密度，kg·cm-3；t為澆注時間，s；μ為流量系數，一般選取范圍為0.15～0.95之間；g為重力加速度，980 cm·s-1；Hp為平均壓力頭，cm。為實現逐層澆注，設計每層充型時間為5～7 s，計算每層澆注系統(tǒng)阻流截面，計算可得S阻(底層)=15.3 cm2，S阻(中層)=18.4 cm2，S阻(頂層)=19.1 cm2。

頂層采用封閉式澆注系統(tǒng)，其余兩層采用開放式澆注系統(tǒng)分別設計直澆道、橫澆道和內澆道尺寸規(guī)格如表2所示。

表2 澆注系統(tǒng)參數表

在水口盆中放置過濾網,鐵液從最底層開始進流，新工藝的澆注系統(tǒng)如圖6所示。

圖 6 鑄件澆注系統(tǒng)

2.4 充型模擬

對新工藝通過CAE軟件進行充型模擬，如圖7所示，結果顯示三層鑄件逐層開始充型,鐵液液面平穩(wěn)上升，卷氣風險小，模擬合格，可進行生產試制。

圖 7 新工藝充型過程流速和卷氣模擬

3孕育處理

新工藝熔煉工藝不變，根據鑄件材質和性能要求，選用75硅鐵孕育劑進行孕育，孕育劑粒度適中，加入量為0.4%～0.6%，確保鐵液孕育均勻、充分。

結合本公司實際情況，鑄件的化學成分設計范圍為w（C）3.0%～3.3%、w（Si）1.6%～1.9%、w（Mn）0.7%～1.0%、w（S）0.06%～0.12%、w（P）≤0.05%。

因使用疊箱造型澆注系統(tǒng)，澆注時間較長，須適當提高澆注溫度，避免出現澆不足、冷隔、嗆氣孔等缺陷,故確定澆注溫度為1 390±10 ℃。

4 生產驗證

本文所述小型鑄件通過調整澆注系統(tǒng)比例，使鐵液逐層進流，改善鑄件質量。為驗證所述工藝的合理性，我公司按照新工藝生產試制了首箱，并安排了相關檢測驗證。

(1) 經過三維劃線，分析得出鑄件壁厚均勻、未變形，鑄件尺寸達到ISO8062-CT11級。

(2) 清理鑄件后鑄件表面無裂紋、夾渣等缺陷。

(3) 檢測單鑄試塊抗拉強度、表面硬度和實體硬度，單鑄試塊抗拉強度大于320 MPa，硬度小于225 HB，鑄件實體硬度為190～212 HB，滿足顧客要求，鑄件性能合格。

綜上所述，首箱試制成功，說明本工藝具有可行性和可執(zhí)行性。到目前為止，我公司使用新工藝生產該產品共500余件，其中3件存在氣孔缺陷，1件因過程操作原因夾砂報廢，廢品率為0.8%。

5 結論

(1)針對批量大的小型鑄件，使用疊芯工藝，實現一箱多鑄，提高生產效率，降低鑄造成本。

(2)通過CAE軟件模擬充型過程，驗證了工藝的合理性。

(3)通過調整澆注系統(tǒng)比例，使鐵液逐層進流，解決卷氣、冷隔和夾雜等缺陷，提高疊芯造型工藝的鑄件質量，降低廢品率。

參考文獻

[1] 劉文川.黑色鑄件有效澆注時間計算公式探討[J].中國鑄造裝備與技術,1999（6）:3- 9.

[2] 李新亞,中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊:鑄造工藝5（第3版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011:172- 173.

Improvement of superposing core casting technology for one type of small casting

ZHOU ShuYang1, LI Dong1, DU WengQiang1,MENG QingWen1,WANG Rui2
(1.Kocel Pattern Co., Ltd., Yinchuan 750021, Ningxia，China; 2.Kocel Machinery Limited, Yinchuan 750021, Ningxia，China)

Abstract：According to the fact that many small castings were high demanded and costed a lot if be cast singly, superposing core casting technology was designed to improve the production efficiency and reduce the casting cost. However the quality of castings ,which were likely to suffer from air entrapment , cold shut, inclusion and so on, was unsteady. The purpose of this paper was to through the technological design, solve the above defects and improve the quality of castings produced by superposing core casting technology.

Keywords：superposing core casting technology; fi lling step by step ; simulation of fi lling process

中圖分類號：TG242.1；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）02-0028-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.009

收稿日期:2015- 10- 09

作者簡介：周樹楊（1991—），男，現從事鑄造工藝設計工作.