A10V71端蓋鑄件的工藝設(shè)計與優(yōu)化

毛進學(xué)

（中航工業(yè)江蘇力源金河鑄造有限公司，江蘇如皋 226511）

A10V71端蓋鑄件的工藝設(shè)計與優(yōu)化

毛進學(xué)

（中航工業(yè)江蘇力源金河鑄造有限公司，江蘇如皋 226511）

采用一種芯殼垂直分型水平澆注方法對A10V71端蓋鑄件進行工藝設(shè)計，并利用華鑄CAE鑄造數(shù)值模擬軟件進行輔助設(shè)計；通過數(shù)值模擬研究，優(yōu)化端蓋鑄造工藝，鑄件經(jīng)過解剖和超聲波無損探傷、加工檢驗均未發(fā)現(xiàn)縮孔和縮松、石墨飄浮等鑄造缺陷，從而獲得內(nèi)在組織致密，質(zhì)量要求很高的優(yōu)質(zhì)鑄件。

端蓋；鑄造工藝；數(shù)值模擬

隨著中國“一帶一路”倡議提出，沿線各國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷增加，工程機械需求量也將會增大，挖掘機、裝載機、液壓吊車等是其中主要組成。A10V71端蓋是用于挖掘機上替代進口液壓驅(qū)動系統(tǒng)中關(guān)鍵液壓件鑄件產(chǎn)品。在端蓋鑄件工藝設(shè)計上，采用一種芯殼垂直分型水平澆注方法，并與數(shù)值模擬技術(shù)輔助設(shè)計相結(jié)合，優(yōu)化鑄造工藝，經(jīng)生產(chǎn)驗證取得了令人十分滿意的效果。

1 鑄件的結(jié)構(gòu)特點

A10V71端蓋鑄件材質(zhì)為QT500-7，要求滿足GB/T1348-2009的技術(shù)要求，鑄件質(zhì)量16 kg，輪廓尺寸216 m m×216 m m×100 m m，鑄件結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。在圖1中A、B兩處鑄件壁厚最大壁厚75 m m，是鑄件的幾何熱節(jié)，容易出現(xiàn)縮孔、縮松，C處大平面容易出現(xiàn)石墨飄浮等鑄造缺陷。而該鑄件加工裝配后是在高壓、高強度精密液壓狀況下工作，故客戶對鑄件內(nèi)在質(zhì)量要求很高，加工后密封面粗糙度要低；特別強調(diào)基體組織必須十分致密，不允許存在因縮孔、縮松及石墨飄浮等鑄造缺陷引起高壓油泄漏。端蓋外觀質(zhì)量和尺寸精度要求也很嚴格，所以給工藝設(shè)計帶來很大難度。

圖1 端蓋鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

2 鑄造工藝設(shè)計

在端蓋鑄造工藝設(shè)計時，熔煉設(shè)備采用5 t/h中頻感應(yīng)電爐；采用熱芯盒覆膜砂制殼型、制砂芯工藝；采用日本新東ACE-4造型線濕型砂水平分型生產(chǎn)工藝，砂箱尺寸為800m m×600m m×300/300m m，型板布置為4件/型，自動澆注機進行澆注。

對該鑄件產(chǎn)品進行工藝分析時，如果按常規(guī)鑄造工藝設(shè)計，鑄件兩處厚大部分將會分別置于鑄型的上、下部，不利于鑄件內(nèi)在質(zhì)量，特別是鑄件上型厚大部位很容易產(chǎn)生內(nèi)部縮孔、縮松缺陷。

為避免端蓋鑄件A、B兩熱節(jié)處產(chǎn)生縮孔，縮松缺陷，采用殼型垂直分型水平澆注鑄造工藝[1]。對鑄件垂直分型，鑄件外形用覆膜砂制成殼型，殼型外部設(shè)計成圖2所示結(jié)構(gòu)，這樣有意識地把鑄件A、B兩處厚大部分置于鑄型的水平方向的左右，同時將側(cè)澆冒口設(shè)置在鑄件的最上部，鑄件兩處厚大部分全都置于鑄型下部，這樣就實現(xiàn)了水平澆注鑄造工藝，更有利于鑄件內(nèi)形成上高下低的溫度梯度，使鑄件順序凝固，有利于提高鑄件內(nèi)在質(zhì)量，保證了鑄件A、B兩處熱節(jié)的補縮，避免了鑄件縮孔、縮松等鑄造缺陷產(chǎn)生。

鑄件外形、內(nèi)腔采用覆膜砂制殼、制芯，型外殼型和內(nèi)腔砂芯組裝好后，整體豎直下到濕型砂型腔中合箱澆注。設(shè)計時取消了常規(guī)預(yù)留殼型與濕型砂型腔下芯間隙，這樣更有利于提高殼型剛度，更有利于鑄件自補縮。此方法既保證了水平澆注工藝的實施，又保證了鑄件外觀質(zhì)量和尺寸精度。端蓋鑄造工藝簡圖見圖2.

圖2 端蓋鑄造工藝簡圖

3 端蓋鑄件的數(shù)值模擬結(jié)果

采用華鑄-CAE鑄造數(shù)值模擬軟件對端蓋進行了流場和溫度場的分析和計算，優(yōu)化了鑄造工藝，生產(chǎn)出了內(nèi)在質(zhì)量合格的鑄件。

3.1 三維建模及參數(shù)選擇

根據(jù)初始工藝方案，運用PRO/E軟件進行三維實體建模，如圖3所示。為了保證計算精度和計算速度，利用前處理模塊對鑄件、澆注系統(tǒng)、覆膜砂殼型、冒口、泡沫陶瓷過濾片、排氣棒等進行相同的網(wǎng)格尺寸剖分。參數(shù)的選擇合理與否，對模擬計算準(zhǔn)確性有著決定性影響。在軟件數(shù)據(jù)庫中選定材質(zhì)牌號為QT500-7，其成分質(zhì)量分數(shù)為：w（C）3.70%~3.90%、w（Si）2.30%~2.60%、w（M n）0.40%~0.50%、w（P）≦0.05%、w（S）0.01%~0.02%、w（Cu）0.30%~0.35%，余為Fe.同時，設(shè)定該鑄鐵的各物性參數(shù)、界面參數(shù)、流動參數(shù)、縮孔、縮松計算設(shè)置，有利于保證模擬精度。澆注質(zhì)量86 kg，澆注溫度（1 390±5）℃，澆注時間（11~14）s/箱。

圖3 端蓋鑄件及澆冒口系統(tǒng)三維實體圖

3.2 充型凝固過程數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 澆注過程的流場分析

流場是反映金屬液在鑄造型腔中的流動過程，也就是金屬液在型腔中的充填順序，可以看到充填過程中金屬液的溫度變化以及充型過程中產(chǎn)生的缺陷。圖4為端蓋鑄件的流場模擬結(jié)果。從流場計算結(jié)果可以看出，充型過程金屬液的流動狀態(tài)平穩(wěn)。

圖4 充型過程不同時刻流體溫度分布

3.2.2 凝固過程的溫度場分析

凝固過程的溫度場及液相分布場反映的是凝固過程中鑄件各部位的溫度變化以及液相變化，通過對鑄件凝固過程的模擬，可以準(zhǔn)確地判斷鑄件的凝固順序、最后凝固區(qū)域以及有無孤立凝固區(qū)，從而預(yù)測出鑄件易產(chǎn)生缺陷的位置。

圖5為凝固過程中溫度分布及液相分布圖。雖然由于端蓋鑄件各相鄰壁厚相差較大，并不是完全順序凝固，但是通過此工藝方法完全解決了鑄件中A、B兩處熱節(jié)可能存在的縮孔、縮松缺陷。

圖5 端蓋凝固過程溫度與液相分布圖

3.2.3 定量縮孔分析

凝固過程的定量縮孔分析圖如圖6所示，反映了鑄件各部位在凝固過程中液相分布情況，據(jù)此可以判斷出在凝固過程中液相溫度的變化以及鑄件各孤立區(qū)最后凝固的部位，這些往往也是鑄件易出現(xiàn)縮孔、縮松的部位。從圖中可以看出鑄件完全凝固后，在A、B兩熱節(jié)處不存在縮孔、縮松缺陷。

圖6 凝固過程定量縮孔

4 工藝設(shè)計優(yōu)化及試驗驗證

分析模擬結(jié)果表明，采用芯殼垂直分型水平澆注鑄造工藝措施在鑄件的凝固過程中發(fā)揮了很大作用，使鑄件中A、B兩熱節(jié)處縮孔、縮松等鑄造缺陷全部都消除，說明端蓋初始鑄造工藝設(shè)計基本合理的，但需要進一步的優(yōu)化。

1）因為是液壓件，對鑄件內(nèi)腔清潔度的要求很高，為了解決此問題，選用了國際品牌H A公司新型涂料，有效地防止了粘砂、燒結(jié)、脈紋等問題的產(chǎn)生。

2）因為澆注溫度較高，凝固時間相對較長，鑄件外表面產(chǎn)生脈紋，影響鑄件外觀質(zhì)量，更換殼型覆膜砂，選用含防脈紋添加劑的覆膜砂。

3）增大排氣棒尺寸，由4-φ10 m m×100 m m改為4-φ20 m m×100 m m；同時在上型4個模樣側(cè)面增加排氣棒各2根共8根，這樣排氣道達到14個，確保做到每型14個排氣孔都從上型引火到位，整個砂型排氣更通暢。

采用優(yōu)化后的鑄造工藝生產(chǎn)的端蓋，如圖7所示。首批試驗澆注8件/2型，鑄件全部經(jīng)超聲波無損探傷檢驗沒有發(fā)現(xiàn)A、B兩熱節(jié)處有縮孔、縮松缺陷；同時解剖4件/1型，證實此處也沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，致密完好，如圖8所示。

圖7 端蓋實物

圖8 端蓋剖面熱節(jié)無縮孔，致密完好

對剩余4件/1型進行機加工時，發(fā)現(xiàn)密封面有石墨飄浮缺陷存在，達不到客戶粗糙度要求。對此，調(diào)整化學(xué)成分，降低C質(zhì)量分數(shù)至3.50%~3.60%，其他成分不變。再次，試驗澆注1包鐵水40件/10型，鑄件全部同樣經(jīng)超聲波無損探傷檢驗合格，解剖首、末各4件/1型，也同樣證實此處沒有缺陷。同時，機加工剩余件石墨飄浮缺陷消除了，密封面粗糙度達到了客戶要求（見圖9）.批量生產(chǎn)后，內(nèi)部質(zhì)量、密封面粗糙度和外觀質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品綜合廢品率在1%左右。

圖9 端蓋加工后密封面

5 結(jié)束語

運用華鑄CAE計算機模擬軟件對A10V71端蓋鑄件的充型過程、流場、溫度場進行了鑄造數(shù)值模擬，優(yōu)化了鑄造工藝，從而獲得了優(yōu)質(zhì)鑄件。將鑄造工藝設(shè)計又用于A10V100、A10V140等端蓋鑄件，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。也同樣取得了顯著的質(zhì)量效果和經(jīng)濟效益。

［1］ 毛進學(xué)，王娟.一種端蓋鑄件芯殼垂直分型水平澆注.鑄造工藝：中國，ZL201410134213.3［P］.2016-04-27.

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［4］黃斌，球鐵件的收縮模型及縮孔形成機理［J］.鑄造，2004，53（6）：95-98.

［5］ 周建新，廖敦明.鑄造CAD/CAE［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：8.

［6］ 牟行輝.球墨鑄鐵鑄件的補縮工藝［J］.鑄造技術(shù)，2011，32（1）：7-10.

［7］毛進學(xué).球鐵后蓋鑄件縮孔缺陷的消除措施［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2011（2）：0073-03.

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Technology Design and Optimization of A10V71 Cover Casting

MAO Jin-Xue
（AVIC Jiangsu Liyuan Jinhe Foundry CO.，LTD.，Rugao Jiangsu 226511，China）

The core shell vertical parting and horizontal pouring process was dwsigned for A10V71 cover casting，and was simulated using Huazhu-CAE numerical simulation softwar.By optimizing casting process，the high quality castings were obtained without graphite floating，shrinkage hole，shrinkage and other casting defects after dissection and ultrasonic nondestructive inspection.

cover，casting process，numerical simulation

TG242

A

1674-6694（2017）04-0018-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.007

2017-06-21

毛進學(xué)（1966-），男，漢族，江蘇如皋人，工程師，主要從事鑄造工藝工裝設(shè)計及技術(shù)管理工作。