錐筒殼體鑄件的工藝優(yōu)化

宮顯輝，陳海文，王 勇，楊 峰

（1.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平713105；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所，陜西興平713102）

碳鋼因具有較好的綜合力學(xué)性能，在有較高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，兼有良好的塑性和韌性。目前因成本較低、焊接性優(yōu)良、經(jīng)正火熱處理后切削加工性能良好等特點(diǎn)[1]，廣泛的應(yīng)用于制造形狀較復(fù)雜的工程用機(jī)械零件。低碳鋼錐筒殼體鑄件是用來安裝齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的箱體，承受較大的齒輪軸軸間應(yīng)力，對(duì)殼體的強(qiáng)度有較高的要求，另因在較為惡劣的海洋環(huán)境中工作，故對(duì)殼體表面及內(nèi)部質(zhì)量提出了更高的要求。

1 錐筒殼體的技術(shù)要求

我公司生產(chǎn)的錐筒殼體鑄件材料為ZG200—400，力學(xué)性能滿足：Rm≥400MPa，ReH≥200MPa，A5≥25%，Z≥40%，Akv≥30J。鑄件表面及內(nèi)部不允許有縮孔、疏松、氣孔、裂紋、夾渣及影響使用的表面或內(nèi)部等缺陷。裝配及受力部位進(jìn)行超聲波、全周身進(jìn)行著色探傷，滿足二級(jí)探傷要求。安裝在水下進(jìn)行泵壓試驗(yàn)，不允許滲漏和表面裂紋存在。殼體鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示，形狀為錐型筒體，外部有凸臺(tái)及搭子，內(nèi)孔兩端及中部有法蘭。外形尺寸為?640×585mm，主要壁厚為17mm，最小壁厚為13mm。從結(jié)構(gòu)上看，錐筒和法蘭及凸臺(tái)交接的部位熱節(jié)較為分散，補(bǔ)縮困難，容易出現(xiàn)組織疏松缺陷，造成鑄件打壓滲漏報(bào)廢。其技術(shù)難點(diǎn)為：（1）尺寸精度和表面光潔度要求高。（2）鑄件表面要全部著色探傷，達(dá)到二級(jí)要求，而圓筒類壁較薄，受阻收縮時(shí)裂紋傾向大。（3）鑄件需要在法蘭及凸臺(tái)與筒壁交接部位進(jìn)行超聲檢測(cè)，要求內(nèi)部組織致密，不能有縮孔、縮松等缺陷，而這些交接部位由于熱節(jié)分散，補(bǔ)縮困難。

圖1 錐筒殼體鑄件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 原工藝方案及存在的問題

2.1 原工藝方案

圖2 原工藝設(shè)計(jì)示意簡(jiǎn)圖

工藝設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮到操作的方便及熱節(jié)部位的補(bǔ)縮，采取了將殼體橫向放置，中間分型的工藝方案，見圖2。這樣可做成整體芯子定位方便，減少多個(gè)芯子產(chǎn)生積累誤差，影響尺寸精度。殼體外壁凸臺(tái)法蘭部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚熱節(jié)較多，放置在下箱，并在加強(qiáng)筋與凸臺(tái)連接部位的側(cè)面放置冷鐵，加速厚大部位的凝固。在上箱頂面加強(qiáng)筋部位放置3個(gè)冒口以實(shí)現(xiàn)對(duì)厚大部位補(bǔ)縮的目的。

2.2 原工藝方案的生產(chǎn)結(jié)果及分析

用原工藝方案生產(chǎn)了2件錐筒殼體，產(chǎn)品的化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿足要求，但主要問題是殼體外壁凸臺(tái)法蘭與殼體過渡部位產(chǎn)生縮松和裂紋，缺陷位置見圖3的剖面線部位，導(dǎo)致探傷不合格報(bào)廢。較厚大，是熱節(jié)部位，這一部位從理論上來講，也是易出現(xiàn)缺陷的部位。另外凸臺(tái)部位結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不規(guī)則的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鋼水流動(dòng)阻力大，這一部位的充型就較為困難，雖然冷鐵起到一定的加強(qiáng)凝固的作用，但因凸臺(tái)部位的機(jī)構(gòu)及壁厚原因，使該部位為“較弱部位”，為最后凝固的位置；冷鐵的使用也有兩面性，因連接部位的冷鐵激冷導(dǎo)致金屬液對(duì)熱節(jié)部位的補(bǔ)縮能力下降，熱節(jié)位置處的形狀不規(guī)則，充型過程該部位易產(chǎn)生紊流，導(dǎo)致形成的氣體不易排出；再加上凸臺(tái)離冒口位置遠(yuǎn)，補(bǔ)縮不暢易導(dǎo)致縮松和裂紋等缺陷問題的產(chǎn)生。

3 優(yōu)化后的工藝方案及結(jié)果分析

圖3 出現(xiàn)缺陷問題部位示意圖

經(jīng)分析認(rèn)為，鑄鋼從材質(zhì)特點(diǎn)來說，鑄造性能較差，流動(dòng)性較低，體收縮和線收縮都偏大，凝固方式為逐層凝固，容易形成縮孔、疏松等缺陷[2，3]。錐筒殼體外壁上的凸臺(tái)法蘭與殼體過渡部位壁厚前面的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析已明確，錐筒殼體鑄件的重量約240kg，主要壁厚為18mm，最小壁厚為14mm，該壁厚已接近理論上含碳量不大于0.20碳素鋼的臨近鑄造壁厚值，低碳鋼鑄件的合理鑄造壁厚在25mm左右[4]，該產(chǎn)品屬于薄壁件，且結(jié)構(gòu)不規(guī)則，該錐筒殼體外壁上的凸臺(tái)法蘭處熱節(jié)較多，這些都會(huì)增加鋼液在鑄件中補(bǔ)縮時(shí)的流暢性及效果。另外該鑄件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在殼體的兩端端口和中間部位增設(shè)了加強(qiáng)筋，一方面減輕了鑄件的重量，另一方面加強(qiáng)筋能夠有效的增加鑄件的力學(xué)性能、防止了裂紋變形等缺陷的產(chǎn)生。但加強(qiáng)筋在液體補(bǔ)縮過程中消耗了大量的冒口中的鋼液，加強(qiáng)筋與外壁上凸臺(tái)連接部位設(shè)置了冷鐵，增加了過渡部位的冷卻速度，也影響了鋼液對(duì)凸臺(tái)連接部位的補(bǔ)縮，這也是導(dǎo)致凸臺(tái)熱節(jié)部位出現(xiàn)缺陷的一個(gè)重要因素。針對(duì)原工藝方案出現(xiàn)的問題，對(duì)工藝方案進(jìn)行了調(diào)整，見圖4。仍采取將殼體橫向放置，中間分型的工藝方案，芯子與原方案一樣為整體芯子，這樣利于尺寸精度的控制和便于操作。不同之處是取消了原來在加強(qiáng)筋與凸臺(tái)連接部位側(cè)面放置的冷鐵，將鑄件的上下位置進(jìn)行了倒置，在凸臺(tái)中間的圓環(huán)上放置一個(gè)環(huán)形冒口（2#），在凸臺(tái)兩側(cè)各放置一個(gè)冒口（1#，3#），冒口根部的凸臺(tái)位置增加了補(bǔ)貼，目的是讓凸臺(tái)部位最后凝固。用冒口中的鋼水對(duì)熱節(jié)部位進(jìn)行補(bǔ)縮，以達(dá)到消除縮松和裂紋缺陷，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部組織致密的技術(shù)要求。另外考慮到錐筒殼體壁薄，受阻收縮時(shí)裂紋傾向大的特點(diǎn)，在工藝方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮了增加型砂的退讓性的要求。在配箱時(shí)采用了在不同部位用壓泥塊測(cè)量型腔間隙尺寸的方法，有效確保了鑄件壁厚的均勻。

圖4 改進(jìn)后的工藝設(shè)計(jì)示意圖

在改進(jìn)工藝方案時(shí)，我們充分研討了出現(xiàn)問題的原因，經(jīng)研討認(rèn)為，防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原則是對(duì)合金的收縮和凝固特點(diǎn)制定正確縮條件，盡可能使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔，并使縮孔出現(xiàn)在鑄件最后凝固的地方，這樣在鑄件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使縮孔集中于冒口中。在這一理論的指導(dǎo)下，我們采取了上述將凸臺(tái)放置在最上面的方案?？紤]到凸臺(tái)壁厚較薄，不利于實(shí)現(xiàn)順序凝固的情況，故增加了補(bǔ)貼，這樣雖然改變了凸臺(tái)原來的結(jié)構(gòu)，增加了加工余量和清理打磨工作量，但能夠有效確保補(bǔ)縮效果。冒口和補(bǔ)貼的綜合運(yùn)用，是消除鑄件中縮孔和縮松的有效措施。

鑄件的凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)主要包括鑄件及其工藝的幾何造型、三維傳熱數(shù)值計(jì)算和缺陷判據(jù)這三部分[5]，并可對(duì)凝固過程中出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，用以評(píng)判鑄造工藝設(shè)計(jì)的合理性，減少工藝實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，降低工藝設(shè)計(jì)成本和提高工藝合格率。為了進(jìn)一步分析該工藝的科學(xué)合理性，我們對(duì)新設(shè)計(jì)的工藝方案進(jìn)行了鑄造凝固仿真分析。從凝固過程來看，在充型模擬過程中，一方面結(jié)合金屬液在澆冒口系統(tǒng)和型腔中的流動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化了澆冒口設(shè)計(jì)，通過仿真澆道中的吸氣、排氣過程，消除了流股分離和避免氧化，減輕了金屬液對(duì)鑄型的侵蝕和沖擊；另一方面，通過分析充型過程中金屬液及鑄型溫度的變化，預(yù)測(cè)了縮松、縮孔等過程的分析，對(duì)澆道、冒口及補(bǔ)貼等尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)模擬驗(yàn)證冒口放置在凸臺(tái)上的新工藝方案補(bǔ)縮順暢，補(bǔ)貼的應(yīng)用確保了冒口中金屬液對(duì)熱解部位的補(bǔ)縮，凝固順序良好，熱節(jié)處沒有大的孤立液相區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，可以滿足探傷要求。

用改進(jìn)后的工藝方案生產(chǎn)了3件錐筒殼體，產(chǎn)品的化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿足要求，殼體外壁凸臺(tái)法蘭與殼體過渡部位經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)縮松和裂紋等問題，產(chǎn)品的超聲波和著色探傷達(dá)到了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)泵壓試驗(yàn)，未見滲漏和表面裂紋的發(fā)生，滿足了鑄件驗(yàn)收要求。

4 結(jié)論

（1）對(duì)錐筒殼體等形狀不規(guī)則的錐形筒體薄壁碳鋼鑄件進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮熱節(jié)部位的補(bǔ)縮通道暢通，在不能確保熱節(jié)部位先凝固的條件下，應(yīng)采用冒口最后對(duì)熱節(jié)部位進(jìn)行充分補(bǔ)縮，實(shí)現(xiàn)消除鑄造缺陷的目的。

（2）在工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)用鑄造凝固仿真分析是提前預(yù)防鑄件缺陷產(chǎn)生的有效措施，能夠有效縮短試制周期，對(duì)工藝方案的科學(xué)合理性進(jìn)行有效驗(yàn)證。