不同類型結(jié)構(gòu)熔模鑄件澆注系統(tǒng)的應(yīng)用

李路娜，錢俊康

(1. 南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211135; 2. 鷹普(中國)有限公司，江蘇 無錫 214191)

0 引言

熔模鑄件的類型可以分為套筒類、板類、圓環(huán)類、輪盤類以及殼體類等。針對不同類型的澆注系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中往往憑借經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)，缺乏設(shè)計(jì)的規(guī)范性。本文歸納總結(jié)了上述不同類型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的事項(xiàng)，并且舉例說明。同時(shí)提出針對熔模鑄造雙金屬鑄件所采用的澆注系統(tǒng)，擴(kuò)大了鑄件材料的選擇范圍及鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 套筒類熔模鑄件澆注系統(tǒng)

套筒類鑄件主要包括管類、軸套和襯套等。薄壁管類鑄件要避免圓口變形，軸套類零件禁止出現(xiàn)夾渣及氣孔缺陷。針對此類零件的特點(diǎn)，歸納出澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的參考標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

為了使氣孔及夾渣缺陷出現(xiàn)在加工面上而避免出現(xiàn)在非加工面上，需要將中小型套筒傾斜焊在直澆口上面。一般考慮將內(nèi)澆口設(shè)置在鑄件的端面上，當(dāng)法蘭壁薄時(shí)，將內(nèi)澆口設(shè)置在壁厚大的中部弧面處。對于一些薄壁套筒鑄件來說，采用圖1(a)所示的橫澆口立焊形式時(shí)，由于橫澆口的凝固收縮，會使圓管口變形，因此采用圖1(b)所示的直澆口側(cè)澆，設(shè)置單個(gè)內(nèi)澆口。

表1 套筒類澆注系統(tǒng)

圖1 薄壁套筒的澆注系統(tǒng)

圖2為套筒類鑄件澆注系統(tǒng)的應(yīng)用案例，圖2(a)為采用組合式設(shè)計(jì)的U型不銹鋼法蘭彎管澆注方式[1]，圖2(b)為耐熱鋼排氣歧管熔模鑄造的澆注系統(tǒng)[2]，圖2(c)為不銹鋼渦管的澆注系統(tǒng)圖[3]，設(shè)置了環(huán)形內(nèi)澆道來提高鑄件上端的補(bǔ)縮效果。

2 板類熔模鑄件澆注系統(tǒng)

板類熔模鑄件的內(nèi)澆口開在正面時(shí)，會產(chǎn)生“丁”字形熱節(jié)。由于直澆口在凝固時(shí)發(fā)生收縮，型殼會因阻礙收縮而產(chǎn)生變形。故一般將內(nèi)澆口開在鑄件側(cè)面，澆口類型為扁平的梯形，澆口平臺(打磨基準(zhǔn))厚度至少為0.5mm。當(dāng)鑄件平面較大時(shí)，為了防止壓頭高度太高而引起型殼膨脹，需要多開內(nèi)澆口而減少壓頭的高度。

圖3、圖4為應(yīng)用實(shí)例。圖3為CF-8M的碟板鑄件[4]，采用橫澆道生產(chǎn)時(shí)存在夾渣和氣孔。后來改進(jìn)澆注系統(tǒng)，增加澆口杯B，原澆口杯A作為排氣孔，且澆口杯A上設(shè)置了3條拉筋用來排氣。實(shí)踐證明，渣孔問題得到解決。

圖3 碟板鑄件澆注系統(tǒng)

圖4為薄壁調(diào)節(jié)片熔模鑄造澆注系統(tǒng)，采用單側(cè)澆注鑄件。剛開始時(shí)內(nèi)澆道數(shù)量偏少且鋼液流動性差，導(dǎo)致了薄壁補(bǔ)縮不足，后來通過在鑄件壁厚最薄處添加內(nèi)澆道來補(bǔ)縮，從而減少了鑄件疏松缺陷[5]。

圖4 薄壁調(diào)節(jié)片熔模鑄造澆注系統(tǒng)

3 圓環(huán)類熔模鑄件澆注系統(tǒng)

圓環(huán)類鑄件壁厚均勻，鑄造過程中主要缺陷是變形，表2為此類鑄件澆注系統(tǒng)的歸納總結(jié)。

表2 圓環(huán)類熔模鑄件澆注系統(tǒng)

圖5為卡箍類半環(huán)形薄壁鑄件的澆注系統(tǒng)方案[6]。蠟?zāi)Ｆ鹉：?，質(zhì)地較軟。為防止蠟?zāi)Ｗ冃卧谙灱显鲈O(shè)了工藝筋。該件底部兩端的熱節(jié)通過底部開內(nèi)澆口消除，但澆口橫截面太小引起了其他部位的縮松。其改進(jìn)方案為：仍是底部開澆口，通過開側(cè)澆口增大有效橫截面積并將2件合1件進(jìn)行組樹。

圖5 卡箍類半環(huán)形薄壁鑄件的澆注系統(tǒng)

圖6為某環(huán)狀鑄件采用十字形分流頂注式澆注系統(tǒng)[7]，可以實(shí)現(xiàn)順序凝固，同時(shí)減少渣的進(jìn)入。

圖6 環(huán)狀鑄件十字形分流頂注式澆注系統(tǒng)

4 輪盤類熔模鑄件澆注系統(tǒng)

輪盤類熔模鑄件主要有齒輪、渦輪、葉輪和導(dǎo)向器等。對于一般小型的輪盤類鑄件，采用直澆口組焊的方式；而對于大型的輪子，則采用直澆口直接進(jìn)行澆注，1次1件。

圖7為微型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪熔模鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8]。設(shè)置側(cè)注式且設(shè)計(jì)4個(gè)內(nèi)澆道來提高其對鑄件本體的補(bǔ)縮能力。

圖7 微型渦輪發(fā)動機(jī)渦輪熔模鑄造澆注系統(tǒng)

圖8為燃?xì)廨啓C(jī)渦輪兩種澆注系統(tǒng)圖[9]。采用圖8(a)所示的澆注系統(tǒng)，當(dāng)澆注溫度高時(shí)軸出現(xiàn)疏松，澆注溫度低時(shí)葉片充型困難且軸心存在顯微疏松的缺陷，故需優(yōu)化。圖樣上Φ46mm軸導(dǎo)致合金液流通通道和補(bǔ)縮通道明顯不足。為增加對軸的補(bǔ)縮，將軸增大到Φ60mm，再采用機(jī)械加工至圖紙尺寸；由于球形澆冒口的補(bǔ)縮能力大于錐形，能提供更大的靜壓頭以及充型動壓頭，故采用球形澆冒口。優(yōu)化后澆注系統(tǒng)見圖8(b)。

圖8 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪澆注系統(tǒng)

圖9為某核級泵葉輪澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖[10]。圖9(a)為原澆注系統(tǒng)，水平中間澆注并利用澆道和外加補(bǔ)貼進(jìn)行鑄件補(bǔ)縮。葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜且鋼液從中部注入使充型不平穩(wěn)。出氣系統(tǒng)設(shè)置不合理致使型腔內(nèi)氣體無法排出而存在氣孔、縮松。圖9(b)為優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)，為了防止鋼液充型時(shí)紊亂，改用平放式澆注(底部進(jìn)液，鋼液從下到上充填鑄件型腔)確保鋼液平穩(wěn)持續(xù)地充型。設(shè)置2處澆口使鋼液中的夾雜物在葉輪型腔內(nèi)能夠順利上浮排出，后蓋板引4根出氣棒到最高處用作排氣。葉輪前蓋板圓弧處的4處補(bǔ)縮通道保證了凝固時(shí)的補(bǔ)縮量。澆注時(shí)鋼液先從側(cè)澆口注入，待到液面上升到十字跑道底部時(shí)，再改從中間澆口注入而形成熱冒口，確保了對葉輪后蓋板的補(bǔ)縮。

圖9 某核級泵葉輪澆注系統(tǒng)

5 殼體類熔模鑄件澆注系統(tǒng)

殼體類鑄件(或閥體)通常采用直澆口多層內(nèi)澆口或單獨(dú)直澆口每組1件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。閥體類的工作要求是耐壓、不滲漏，故在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)主要考慮要避免縮松、縮孔缺陷。閥體類澆注位置主要有兩種，即中法蘭向上和中法蘭向下。對于底座類鑄件，在熱節(jié)處設(shè)置拉筋，目的是一方面防止鑄件變形，另一方面利用拉筋的厚大截面，兼起冒口作用來實(shí)現(xiàn)對兩端熱節(jié)的補(bǔ)縮。對于大型復(fù)雜鑄件的澆冒口設(shè)計(jì)，需要考慮澆注時(shí)及澆注后型殼和鑄件上的溫度場分布情況。避免液流大量地沖刷型殼以及在型殼散熱不好的地方形成新的熱節(jié)。

圖10為某殼體類零件的澆注系統(tǒng)圖[11]，設(shè)置了內(nèi)澆口直接放置于產(chǎn)品的每個(gè)熱節(jié)，用來補(bǔ)縮。

圖10 某殼體類零件的澆注系統(tǒng)

6 雙金屬熔模鑄件澆注系統(tǒng)

單一材料熔模鑄件無法滿足實(shí)際生產(chǎn)中多方面的要求。譬如要求材料既有良好的韌性，用來抵抗物料在工作中受到的沖擊而發(fā)生斷裂，同時(shí)又要求鑄件具有高的強(qiáng)度及良好的耐磨性能，提高部件的壽命。這往往是單一鑄件難以達(dá)到的。而利用復(fù)合技術(shù)可以使得物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的金屬實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，其中各自金屬保持原有的特性，但其綜合性能比單一的金屬要優(yōu)越。

圖11 具有渣孔缺陷的鑄件

在生產(chǎn)雙金屬鑄件時(shí)，插入不同于主體的材料，然后再澆注主體材料。其中插入的材料相當(dāng)于內(nèi)冷鐵，如果是蠟?zāi)＝M樹時(shí)插入會使得焙燒時(shí)被插入的材料被高溫氧化而產(chǎn)生渣孔等缺陷。如圖11為所產(chǎn)生的渣孔缺陷。

針對此類缺陷改進(jìn)方案為等型殼焙燒后再插入不同于主體的材料，避免裂解材料隨殼體在高溫中被氧化。其中鑄件上蠟?zāi)Ｔ谛枰迦氩煌牧系牟课活A(yù)先設(shè)置了蠟塊，等制殼及焙燒完后敲去多出的型殼，再將不同材料插入此部位并用耐火泥堵住后澆注。以雙金屬連桿為例，敲去兩端型殼后的殼體如圖12所示，被敲位置用來放置另一種材料。

圖12 被敲去兩端型殼后的雙金屬連桿型殼

7 結(jié)語

1) 針對不同類型的零件采用有針對性的澆注系統(tǒng)，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

2) 提出了雙金屬鑄件的熔模澆注方法，擴(kuò)大了鑄件的應(yīng)用范圍。