靜壓線組合型板生產(chǎn)球墨鑄鐵管件工藝實踐

（蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽 蕪湖 241002）

靜壓線黏土砂鑄造生產(chǎn)線因為生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢在鑄造領域迅速發(fā)展，近年在球墨鑄鐵管件生產(chǎn)上也逐步推廣應用。機械化、大批量生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)砂型鑄造，對工藝、質(zhì)量過程控制提出了要多、更高的要求，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就會產(chǎn)生批量的殘次品，帶來較大的經(jīng)濟損失。模具、鐵水、型砂和砂芯是影響工藝質(zhì)量的四大因素，而模具是產(chǎn)品尺寸和工藝、質(zhì)量的源頭，好的模具設計（工藝設計），直接決定了綜合合格率、工藝出品率、產(chǎn)品尺寸及外觀。

1 模具開模方案

筆者公司于2014 年新建一條煤粉砂靜壓造型鑄造生產(chǎn)線，砂箱尺寸：1 300 mm×900 mm，采用煤粉砂靜壓造型工藝和冷芯盒樹脂砂制芯工藝，主要生產(chǎn)DN80～DN400 系列球墨鑄鐵管件，初期投入了90 多種規(guī)格的產(chǎn)品。

DN80～DN400 規(guī)格段的球墨鑄件管件常用規(guī)格多達上千種，從工藝的角度來看，當然是單體型板（一套型板上是同一產(chǎn)品）好，但模具費用較大，而且每種產(chǎn)品市場需求量不同，需求量小的品種投資回收期相當長。綜合考慮采用了組合型板，即將90 個產(chǎn)品分類、組合布置在14 套型板上生產(chǎn)，每套型板上有6～13 個產(chǎn)品，可根據(jù)需要進行拆換組合。表1 是單體模具和組合模具的制造費用對比。

表1 90 種產(chǎn)品單體模具和組合模具制造費用對比

從表1 中可以看出，90 種產(chǎn)品采用組合模具方式，其模具制造費比單體模具節(jié)約623 萬元。從前期投入費用考慮，最終選擇組合模具方式。

由于每種產(chǎn)品的大小、形狀、壁厚都不同，對鐵水溫度、澆注速度、型砂性能的要求不盡相同。尤其在同一套型板的各個工位上需要設計多個產(chǎn)品可更換，為了保證更換后新組合的產(chǎn)品能在同一工藝參數(shù)下共型板生產(chǎn)，故需在設計時綜合考慮。不僅要根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格大小、型號進行分類，還要根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)量（銷量）分類，最根本的還要根據(jù)該產(chǎn)品的鑄造工藝特點、工藝參數(shù)范圍進行分類，分類后確定每個模型的大小進行布局。平均一個型板需要布置近7 個產(chǎn)品，有些型板上只能布一件或兩件，有些可以布4 件，分別將型板設置成一模單件、一模兩件（兩工位型板）、一模三件、一模四件四種型式，經(jīng)布局將90 余種產(chǎn)品共設計了14 套組合型板，為了便于模具管理，將14 套組合模具依次編號為G001-G014.

例如：007 型板上設置A、B、C 共3 個工位如圖1a），一次可布局3 件，在A 位置有4 件可拆換如圖1b）所示。B 位置有3 件可拆換如圖1c），C 位置有3件如圖1d），此型板共計可分布10 個產(chǎn)品。

圖1 G007 組合模具布局

2 組合型板生產(chǎn)過程中的問題及解決措施

組合型板在試生產(chǎn)初期合格率低，有粘砂、縮孔、縮松、氣孔和冷隔等缺陷，且同一個產(chǎn)品在固定的型板上生產(chǎn)，當與其搭配的產(chǎn)品不同（因生產(chǎn)需要采用不同的產(chǎn)品組合），所產(chǎn)生的缺陷也不相同。分析其原因，因不同產(chǎn)品雖經(jīng)分類整體相近，但仍存在長短、重量、壁厚等差異，不同的產(chǎn)品組合在一起時，其生產(chǎn)時所需的工藝參數(shù)各不相同。但為了達到各種不同產(chǎn)品搭配均衡生產(chǎn)，整體的工藝參數(shù)又需要盡可能的統(tǒng)一。且管件產(chǎn)品的市場需求特點是多品種小批量，故在生產(chǎn)時需要頻繁換模。在不同的產(chǎn)品組合下，需照顧個別工件的工藝特殊性要求，權(quán)衡不好就容易產(chǎn)生缺陷。筆者就實際生產(chǎn)中遇到的粘砂、縮孔、縮松、氣孔和冷隔缺陷問題進行了梳理并對解決措施進行了總結(jié)，以供同行借鑒。

2.1 粘砂缺陷及解決措施

2.1.1 粘砂原因分析

圖2 G009 組合型板模具

圖2 是G009 組合型板模具，從圖2 中可以看出，該模具組合中DN300 盤承的法蘭盤壁厚最厚，高度最高。本模具中管件最厚壁厚為23.5 mm，最薄壁厚為8 mm.在鑄件的澆注冷卻過程中，下箱鐵水壓力大，厚大壁處容易產(chǎn)生粘砂缺陷，因此生產(chǎn)中DN300 盤承下箱法蘭盤處容易產(chǎn)生粘砂，如圖3 所示。

圖3 DN300 盤承粘砂件

另外其型板局部的某些復雜結(jié)構(gòu)，在造型加砂過程中型砂很難充分到達這些地方，導致局部的型腔致密度不足，抵抗鐵水滲透能力下降，導致產(chǎn)生局部粘砂缺陷。因在生產(chǎn)線上造型，只能將型砂性能指標穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)，無法做到像手工造型時那樣將不同性能指標的型砂組合使用，生產(chǎn)線上只能通過調(diào)節(jié)型砂緊實率等指標，以求得綜合性能最佳。

2.1.2 粘砂解決措施

通過跟蹤查看實物粘砂位置規(guī)律，通常在下半箱，且靠近底部圓弧面；其狀態(tài)為粘附在產(chǎn)品表面的砂鐵混雜物。通過采取以下措施進行了試制調(diào)整：

1）根據(jù)型砂檢驗參數(shù)，增加煤粉含量，在澆注過程中在鑄件表面產(chǎn)生更多光亮碳、還原性氣體和膠質(zhì)體，形成保護膜，以改善鑄件粘砂。

2）保持型砂有效煤粉和有效膨潤土不變，通過改變型砂緊實率，如表2 和圖4 所示，通過實驗調(diào)整統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，DN300 盤承粘砂率通過調(diào)整型砂緊實率在30～31 之間時相對最低。筆者公司將型砂緊實率由36～38 穩(wěn)定到30～31，DN300 盤承粘砂缺陷基本解決。

3）降低澆注溫度，可以減弱鐵水對型腔砂粒間的滲透能力，減少鑄件粘砂率。公司剛開始使用G009 模具，澆注溫度1 390 ℃～1 420 ℃時，DN300盤承粘砂率是17%，澆注溫度降低10 ℃～20 ℃后，粘砂率下降到2%，效果改善明顯。降溫措施可單獨進行，但降溫幅度不宜過大，需要綜合觀察，以整個型板上所有產(chǎn)品不產(chǎn)生諸如冷隔等其他缺陷為準。

表2 不同的型砂緊實率對應的DN300 盤承粘砂率

圖4 不同型砂緊實率對應DN300 盤承粘砂趨勢

2.2 縮孔缺陷及解決措施

2.2.1 縮孔原因分析

組合模具存在產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)差異大，排列緊湊，部分熱節(jié)點難以設計補縮冒口等特點，易產(chǎn)生縮孔缺陷。如圖5 所示，G008 模具中DN200×90°雙盤彎管遠離內(nèi)澆道的上箱法蘭盤處容易產(chǎn)生缺陷，此處遠離澆道，和芯頭定位塊間的距離很近，空間有限難以添加補縮冒口，生產(chǎn)中容易在DN200×90°雙盤彎管遠離內(nèi)澆道的上箱法蘭盤處形成內(nèi)部縮孔缺陷，法蘭盤表面縮陷，如圖6 所示。

2.2.2 縮孔解決措施

1）通過將DN200×90°雙盤彎管法蘭盤半環(huán)形內(nèi)澆道改成整環(huán)形內(nèi)澆道，改變內(nèi)澆道分布，轉(zhuǎn)移法蘭盤處的熱節(jié)點，降低法蘭盤縮陷缺陷。

2）C 是使石墨膨脹的元素，Si 是影響凝固初期膨脹量的元素。因此，在合適的CE 范圍內(nèi)采取高C 低Si原則。將G008 模具工藝卡中ω（C）調(diào)整為3.6%～3.8%，ω（Si）調(diào)整為2.55%～2.7%后，DN200×90°雙盤彎管法蘭盤縮陷傾向明顯減少。

圖5 G008 組合型板模具

圖6 DN200×90°雙盤彎管縮孔缺陷

表3 不同澆注溫度對應DN200×90°雙盤彎管法蘭盤縮陷率

圖7 不同澆注溫度對應DN200×90°雙盤彎管法蘭盤縮陷趨勢

3）澆注溫度對鑄件的縮孔傾向有很大的影響，如表3 和圖7 所示。隨著澆注溫度的升高，DN200×90°雙盤彎管法蘭盤縮陷占比顯著提升。澆注溫度過高，會出現(xiàn)較大的凝固收縮，易形成縮孔、縮松等；在保證其他性能的前提下，盡可能取低溫，但溫度太低則容易產(chǎn)生冷隔等缺陷。經(jīng)模擬分析并通過試制實驗將澆注溫度調(diào)整為1 380 ℃～1 420 ℃，DN200×90°雙盤彎管的法蘭盤縮陷問題基本得到解決。

上述措施是在單獨進行的情況下得到的實驗結(jié)果，上述3 種措施組合進行效果更優(yōu)。

2.3 氣孔缺陷及解決措施

2.3.1 氣孔原因分析

組合模具中，產(chǎn)品因形狀結(jié)構(gòu)不同對模具排氣系統(tǒng)的要求也不一樣。如圖8 所示，G011 模具中DN300×100 承插單支盤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比DN300 雙承套管更復雜，產(chǎn)品重量和澆注鐵水的流程更長。因此，G011 模具中DN300×100 承插單支盤產(chǎn)品的充型時間更長，澆注過程中產(chǎn)生的發(fā)氣量更大，在實際生產(chǎn)中DN300×100 承插單支盤更容易產(chǎn)生氣孔。如圖9 所示，DN300×100 承插單支盤管件上表面產(chǎn)生橢圓形和梨形的大氣孔，主要是卷入氣孔和侵入氣孔。

2.3.2 氣孔解決措施

圖8 G011 組合型板模具

圖9 DN300×100 承插單支盤氣孔缺陷

1）加大內(nèi)澆口截面積。通過將DN300×100 承插單支盤承口半環(huán)形內(nèi)澆道改成整環(huán)形內(nèi)澆道，管身增加內(nèi)澆道，原先的半封閉式澆注系統(tǒng)（ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶2∶0.8）轉(zhuǎn)變成開放式澆注系統(tǒng)（ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶2∶2.2），澆注速度每箱提高3 s.大流量滿杯澆注不容易斷流，鐵水平穩(wěn)充型，可以減少澆注時卷氣。

表4 DN300×100 承插單支盤砂芯樹脂加入量和鑄件氣孔對比

2）降低砂芯中的樹脂加入量。冷芯盒砂芯中的樹脂在澆注過程中產(chǎn)生大量氣體，如果不能及時有效排出，就會侵入鑄件表層形成氣孔。如表4 和圖10 所示，隨著砂芯樹脂含量的升高，DN300×100 承插單支盤氣孔缺陷占比越來越大。但砂芯樹脂加入量也不是越低越好，樹脂加入量越低，砂芯強度越低，在澆注過程中鐵水容易穿透砂芯造成跑火。因此，將G011 模具工藝卡中的砂芯樹脂加入質(zhì)量分數(shù)規(guī)定為1.9%～2.0%.

3）控制型砂中的水分量。型砂含水量越大，鑄件氣孔傾向越大，澆注過程中，高溫鐵水和型砂接觸，會讓接觸的水分瞬間氣化，體積增加約1 700倍。水含量越高產(chǎn)生的氣體越多，越容易在鑄件表層形成侵入氣孔，通過實驗得出型砂含水質(zhì)量分數(shù)從3.3%～3.4%降低到3.0%～3.1%后，DN300×100承插單支盤氣孔缺陷率最低。

4）G011 模具通過增加插口氣針、管身氣針和砂芯排氣氣針，可以有效地將砂芯和型砂在澆注過程中產(chǎn)生的氣體及時排出。

通過以上措施的實施，使得DN300×100 承插單支盤氣孔缺陷得到控制，氣孔基本消除。

2.4 冷隔缺陷及解決措施

2.4.1 冷隔原因分析

圖10 DN300×100 承插單支盤砂芯樹脂含量與氣孔缺陷關系圖

G005 組合模具一模有4 個不同產(chǎn)品，如圖11所示。模具中DN100 盤插鐵水流程長，管身壁厚只有7 mm，插口段末端壁厚6 mm.由于插口位置離內(nèi)澆道太遠，且管件壁厚太薄，G005 組合模具中的DN100 盤插插口末端很容產(chǎn)生冷隔缺陷，如圖12所示。

圖11 G005 組合型板模具

圖12 DN100 盤插插口冷隔

2.4.2 冷隔解決措施

1）通過將DN100 盤插半環(huán)形內(nèi)澆道改成整環(huán)形內(nèi)澆道，原先ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶2∶0.9轉(zhuǎn)變成ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶2∶1.1，澆注速度每箱提高2 s，DN100 盤插插口冷隔缺陷明顯好轉(zhuǎn)。

2）在保證其他件不產(chǎn)生粘砂等缺陷的情況下將澆注溫度由1 350 ℃～1 380 ℃提升30 ℃，DN100盤插插口冷隔缺陷大幅降低。

通過上述兩項措施，提高澆注速度、適度提升溫度，對易產(chǎn)生冷隔缺陷的件能穩(wěn)定控制冷隔的發(fā)生。

3 結(jié)論

（1）與單體模具相比，組合模具可以大大節(jié)約模具制造費用，對于管件產(chǎn)品具體是選用單體型板還是組合型板，可根據(jù)產(chǎn)品批量、產(chǎn)品特點及投入來靈活選用；

（2）采用組合式型板可滿足管件產(chǎn)品批量生產(chǎn)的需要，但需在設計時充分作好型板的設計。首先，充分考慮產(chǎn)品批量、產(chǎn)品規(guī)格大小特點進行分類、搭配；第二，需作好各單個產(chǎn)品的鑄造工藝分析，根據(jù)各工藝參數(shù)的范圍進行分類，比如充型時間、溫度、壁厚、熱節(jié)等，把相同或相近的管件布置在同一組型板上；

（3）在組合型板生產(chǎn)期間，需針對各個產(chǎn)品組合在既定分析的基礎上進行試制調(diào)整，對各種產(chǎn)品組合的工藝特點有針對性的進行少量工藝調(diào)整，以修定最終的工藝卡，方可穩(wěn)定生產(chǎn)。比如：

1）對于產(chǎn)品粘砂，在靜壓線造型過程中降低型砂緊實率，可以提高型砂的流動性，有效降低管件粘砂傾向；

2）對于澆注流程較短的工件降低澆注溫度對管件的粘砂和縮孔缺陷改善明顯，對于澆注流程長的工件需適當提高澆注溫度，以免產(chǎn)生冷隔；

3）減少澆注過程中產(chǎn)生的氣源，增強型腔排氣，可降低管件氣孔缺陷；

4）增大內(nèi)澆道面積，提高澆注速度，可有效降低管件氣孔和冷隔缺陷。