消除回轉(zhuǎn)體鑄件轉(zhuǎn)角缺陷工藝措施

暴趙鴻，劉建民，賀建科，何 濤，郝寶云

（淮海工業(yè)集團有限公司，山西長治 046012）

消除回轉(zhuǎn)體鑄件轉(zhuǎn)角缺陷工藝措施

暴趙鴻，劉建民，賀建科，何 濤，郝寶云

（淮海工業(yè)集團有限公司，山西長治 046012）

某回轉(zhuǎn)體鑄件在原鑄造工藝生產(chǎn)狀態(tài)下，鑄件內(nèi)壁轉(zhuǎn)角處易產(chǎn)生鑄造轉(zhuǎn)角缺陷，廢品率高達(dá)60%～70%.通過增設(shè)熱節(jié)再改進(jìn)后，調(diào)整了內(nèi)澆道位置和澆注系統(tǒng)比例關(guān)系，徹底消除了鑄件轉(zhuǎn)角缺陷，實現(xiàn)了底注式無冒口鑄造工藝，獲得了品質(zhì)良好鑄件，鑄造綜合良品率達(dá)到94%以上。

轉(zhuǎn)角缺陷；內(nèi)澆道；熱節(jié)；補縮

1 鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件內(nèi)外形結(jié)構(gòu)均為回轉(zhuǎn)體，如圖1所示，平均壁厚約16 m m，重量8 kg，材質(zhì)為球墨鑄鐵。

2 驗收條件

1）每批毛坯100%在鑄件指定部位磨出小平面，做布氏硬度試驗，球痕直徑按0.1 m m的差值進(jìn)行分級統(tǒng)計，取球痕最大值毛坯3件，分別在本體上均分1200車制機械性能試桿3根，每組2根做抗拉強度試驗，另外一根備用，抗拉強度不小于400M Pa.三組中有一組機械性能不合格時，允許以同級球痕值雙倍數(shù)量毛坯重車制新試桿復(fù)試，復(fù)試仍不合格，則該級球痕毛坯報廢，另取球痕直徑小于0.1 m m的毛坯試驗，依此類推，直至合格為止；

2）從每批毛坯中隨機抽取3件，擊碎成數(shù)塊，檢驗斷口顏色和內(nèi)部組織，不得有縮松、氣孔、渣孔等鑄造缺陷。不合格時，允許以同樣數(shù)量擊碎復(fù)試，復(fù)試仍不合格，則該批毛坯不合格；

3）合格毛坯經(jīng)機械加工后100%進(jìn)行液壓試驗，不得出現(xiàn)有滲漏水現(xiàn)象；

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)

4）最后進(jìn)行重量驗收。

3 原鑄造工藝方案

砂型采用尿烷酚醛樹脂自硬砂，砂芯采用熱芯盒覆膜砂。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點，鑄件鑄型全部放置在下砂型內(nèi)，砂芯采用雙芯頭兩端定位，定位準(zhǔn)確度高，保證了鑄件不會產(chǎn)生壁厚差。在鑄造生產(chǎn)過程中，先后應(yīng)用過兩種鑄造工藝方案[1]。圖2為壓邊式鑄造工藝，圖3為底注式鑄造工藝。

圖2 壓邊式鑄造工藝方案

3.1 鑄件缺陷狀態(tài)

在鑄件擊碎驗收和機加后，唯一的鑄造缺陷主要集中在鑄件內(nèi)壁R15轉(zhuǎn)角的環(huán)形截面處，其他部位也有，但較少，鑄造缺陷表現(xiàn)有兩種形態(tài)：

圖3 底注式鑄造工藝方案

1）氣孔類，根據(jù)出現(xiàn)的部位稱為“轉(zhuǎn)角氣孔”，形狀為蠕蟲狀、長針形、釘子形、晶間裂隙狀等，目視特征亦是千姿百態(tài)，難以具體描繪，有的出現(xiàn)在鑄件表面，有的延伸至鑄件內(nèi)部3 m m～7 m m深；

2）黑斑塊類，出現(xiàn)在鑄件內(nèi)表面，外輪廓直徑約有3 m m～5 m m，不規(guī)則，但界限分明，數(shù)量比轉(zhuǎn)角氣孔少。

因上述兩種缺陷主要出現(xiàn)在同一部位，本文合并統(tǒng)稱為“轉(zhuǎn)角缺陷［1］”，如圖4所示。鑄件的轉(zhuǎn)角缺陷在毛坯外觀驗收時，廢品能占到20%左右，合格毛坯在機加過程中因轉(zhuǎn)角缺陷完全暴露而產(chǎn)生的料廢占60%～70%.

3.2 壓邊式鑄造工藝方案應(yīng)用范圍

對于同類型鑄件，重量4 kg、高度160 m m以下的鑄件，采用壓邊式鑄造工藝方案時，鑄造良品率都在96%以上；對于重量在4 kg~8 kg、高度在160 m m~ 250 m m范圍內(nèi)的鑄件鑄造情況暫缺。對于重量在8 kg以上、高度在250 m m以上的鑄件不適用。實踐驗證，由于芯子內(nèi)角處受熱作用強烈，芯砂大量發(fā)氣，又不易排出，集聚到壓力足夠大時，就從最后凝固部位處（熱節(jié)點）的表面突破，進(jìn)入到鑄件內(nèi)部而造成氣孔；而對于黑斑塊二次氧化物是因為鑄件較大，澆注過程中，鑄件型腔較深，鐵水產(chǎn)生紊流發(fā)生二次氧化造成的。

所以同類型鑄件，因重量和高度不同，采用同一鑄造工藝方案會帶來完全不同的鑄造效果。

3.3 原底注式鑄造工藝方案

采用圖3底注式鑄造工藝方案后，經(jīng)批量實際生產(chǎn)應(yīng)用統(tǒng)計，對于轉(zhuǎn)角缺陷控制比壓邊式鑄造工藝方案效果明顯，但從生產(chǎn)批次之間來比較，控制差異還是比較大的，證明底注式鑄造工藝方案在實際鑄造生產(chǎn)應(yīng)用中可行，但澆注系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)計不是最佳，造成了鑄造控制適用范圍小、難度大。

圖4 轉(zhuǎn)角缺陷實物照片

4 鑄造工藝方案再改進(jìn)

4.1 改進(jìn)思路

經(jīng)分析，底注式鑄造工藝方案出現(xiàn)批次之間鑄件質(zhì)量波動，主要問題應(yīng)當(dāng)是出在內(nèi)澆道的設(shè)計上。一是內(nèi)澆道為單個，相對于回轉(zhuǎn)體鑄件來講，安放的位置處于偏心狀態(tài)；二是內(nèi)澆道截面積過小?？傮w內(nèi)澆道不利于金屬液平穩(wěn)充型和鑄件凝固時均衡補縮。所以，在直澆道、橫澆道工藝參數(shù)保留不變的條件下，擴大內(nèi)澆道截面參數(shù)，將澆注系統(tǒng)改為全開放式。

4.2 毛坯改動

由于受原毛坯結(jié)構(gòu)和壁厚的限制，無法在原毛坯上直接擴大內(nèi)澆道截面，所以對毛坯進(jìn)行了修改，如圖5所示。毛坯壁厚保持了原底注式鑄造工藝方案的設(shè)計思路和要實現(xiàn)順序凝固的工藝技術(shù)[1]，只是在鑄件小端面進(jìn)行了封閉設(shè)計，設(shè)計出了一個人造熱節(jié)，將鑄件變成了盲孔鑄造，這樣鑄件的內(nèi)澆道入口就可放置在鑄件回轉(zhuǎn)體軸線的中心位置，并且對內(nèi)澆道的尺寸大小有了充分調(diào)整余地。

圖5 毛坯結(jié)構(gòu)修改圖

4.3 再改進(jìn)后的鑄造工藝方案

砂型仍采用尿烷酚醛樹脂自硬砂，熱芯盒覆膜砂砂芯。再改進(jìn)后的鑄造工藝方案如圖6所示，三維工藝如圖7所示。

圖6 改進(jìn)后的鑄造工藝圖

圖7 三維工藝圖

雖然在鑄件毛坯和內(nèi)澆道連接處增加了一個人為制造的熱節(jié)，只要鑄件毛坯上設(shè)計的熱節(jié)厚度適當(dāng)，滿足內(nèi)澆道開設(shè)和澆注系統(tǒng)對鑄件的補縮，在鑄件毛坯或鑄造工藝設(shè)計上增設(shè)人為熱節(jié)還是可行的。

4.4 人造熱節(jié)設(shè)計

設(shè)計人造熱節(jié)只是鑄造工藝中的一個過渡，有三個目的：一是有利于內(nèi)澆道參數(shù)和位置調(diào)整；二是使鐵水充型平穩(wěn)；三是有利于對鑄件凝固時進(jìn)行均衡補縮。人造熱節(jié)上的熱節(jié)圓有一臨界直徑，臨界直徑大小的控制是一關(guān)鍵點，決定了人造熱節(jié)對鑄件凝固補縮鐵水的供應(yīng)量，只要保證人造熱節(jié)凝固后于要補縮的鑄件壁厚即可。熱節(jié)圓小于臨界直徑時，達(dá)不到對鑄件完全補縮效果，過大易造成澆注系統(tǒng)增大。當(dāng)然還要考慮澆注系統(tǒng)對人造熱節(jié)鐵水的供給，澆注系統(tǒng)通道始終不能提前凝固斷流，它的凝固要后于人造熱節(jié)。內(nèi)澆道截面要設(shè)計成圓形，有利于內(nèi)澆道截面最小化，同時有利于配合整體工藝實現(xiàn)無冒口鑄造工藝出品率的最大化。

在實際設(shè)計人造熱節(jié)大小時，與澆注系統(tǒng)是一并考慮進(jìn)行的，特別是內(nèi)澆道長度控制在8 m m左右最佳，因為澆注系統(tǒng)還承擔(dān)著補縮冒口的功能，內(nèi)澆道是補縮的橋梁和切斷的瓶頸，內(nèi)澆道長度增加會帶來自身截面積增大，相應(yīng)也會帶來直澆道和橫澆道截面積的擴大，降低鑄造工藝出品率。經(jīng)過幾次鑄造仿真模擬和修改很容易確定鑄造工藝參數(shù)，通過試制和生產(chǎn)對轉(zhuǎn)角缺陷消除和補縮情況等驗證后再進(jìn)行工藝參數(shù)修定。

因為鑄造工藝是開放式的，對于澆注系統(tǒng)沒有明確的比例關(guān)系，只要澆注通暢，補縮效果好即可，經(jīng)實際應(yīng)用鑄造工藝范圍較寬。

4.5 砂芯定位和造型操作

毛坯改為盲孔后，砂芯變成了一端定位的吊芯，定位配合必定有間隙，再加上砂芯受鐵水浮力的作用，砂芯很容易發(fā)生漂移偏離型腔中心軸線，使鑄件產(chǎn)生壁厚差。所以在模具工藝設(shè)計上采取了如下措施：

1）模具設(shè)計分為上、下型，鑄件產(chǎn)品部分全部放在下型，或部分在下型、另一部分在上型，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和砂型高度來確定鑄件毛坯的分型面，最終結(jié)果是在上、下型模具上不設(shè)計砂芯定位芯頭；

2）模具下型只設(shè)計有鑄件毛坯的全部或部分外輪廓模形，當(dāng)然還有部分澆注系統(tǒng)；

3）模具上型對應(yīng)沒有鑄件毛坯或只設(shè)計有鑄件毛坯的另一部分外輪廓模形，一箱可能是一個或多個鑄件，但沒有關(guān)系，但模具必須要有一定的高度，在模板平面或另一部分外輪廓的上面，一并向下挖出芯子的存放空間和定位點；

4）在造上砂型前，首先要將芯子提前裝配到上型模具上，砂芯全部裝配到上型模具上后，模具外面只暴露有帶有臺階的芯頭，對芯頭精度無關(guān)；

5）這時填砂造上砂型，型砂將芯頭和模形部分一起包裹在了一起，型砂硬化時與芯頭形成了一體，脫模后就是帶有吊芯的上砂型，并且砂芯在砂型中的定位是無間隙配合；

6）通過砂箱定位機構(gòu)或砂型分型面上設(shè)計的砂胎進(jìn)行定位合箱，砂芯在型腔中的位置精度并不比原工藝中的雙芯頭定位精度差。

5 效 果

鑄造工藝通過增設(shè)熱節(jié)再次改進(jìn)后，調(diào)整了內(nèi)澆道截面比例和位置關(guān)系，特別是內(nèi)澆道對型腔充填鐵水平穩(wěn)、均勻，內(nèi)澆道截面積大小和長短參數(shù)控制適當(dāng)，達(dá)到了由澆注系統(tǒng)對鑄件的均衡補縮，徹底消除了鑄件轉(zhuǎn)角缺陷，實現(xiàn)了底注式無冒口鑄造工藝，獲得了良好的品質(zhì)鑄件，十余萬件的鑄造生產(chǎn)，鑄造綜合良品率達(dá)到94%以上。

6 結(jié) 論

內(nèi)澆道結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)設(shè)計及鑄件與內(nèi)澆口連接位置對鑄件成形質(zhì)量至關(guān)重要，當(dāng)鑄件上壁厚與內(nèi)澆口連接位置受限時，可在鑄件內(nèi)澆口入口處通過局部適當(dāng)增設(shè)熱節(jié)或補貼來進(jìn)行調(diào)整，這樣有利于拓寬生產(chǎn)控制和保證鑄件質(zhì)量。增設(shè)熱節(jié)或補貼的前提條件必須是在鑄件的后續(xù)加工時能將此部分加工掉或保留時不影響產(chǎn)品使用。

TG28，TG162

A

1674-6694（2017）04-0012-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.005

2017-03-29

暴趙鴻（1962-），男，高級工程師。中國兵器工業(yè)集團關(guān)鍵技能帶頭人，從事鑄造工藝研究和創(chuàng)新設(shè)計工作。