某鑄鋼控制臂覆膜砂殼型工藝研究

（東風精密鑄造有限公司，湖北 十堰 442714）

控制臂是汽車底盤系統(tǒng)中非常重要的零部件，其在汽車行駛過程中起著控制方向的作用，控制臂根據(jù)承受的工況載荷有不同的成型方法，主要成型工藝有鍛造、鑄造兩種?？紤]工件強度及延伸率的特殊要求，控制臂材質(zhì)通常為高強高韌鋼，鑄鋼控制臂最常見的鑄造工藝是熔模精密鑄造，雖然當前國內(nèi)多數(shù)知名企業(yè)已成功引用硅溶膠替代傳統(tǒng)水玻璃工藝制殼來解決環(huán)保排放問題，但熔模鑄造存在的問題仍然凸顯，一是制殼材料日趨緊張，石英砂、莫來石砂等耐火材料屬于礦產(chǎn)資源，砂礦開采對當?shù)丨h(huán)境破壞很大，且澆注后的廢砂很難再回收利用，造成材料極大浪費[1]；二是日益上漲的人工成本問題，控制臂這一類極端件產(chǎn)品，取模、制殼等基本靠人工操作，勞動強度大的同時生產(chǎn)效率也十分低下；三是熔模鑄造工序較多，造成生產(chǎn)周期長、質(zhì)量波動大，尤其是涂料、撒砂等過程不可控因素極易造成鑄件批量跑火、結(jié)疤，甚至尺寸超差等質(zhì)量缺陷。因此，針對以上問題，熔模鑄造工藝生產(chǎn)控制臂是沒有優(yōu)勢可言的，目前鑄造行業(yè)也在呼吁倡導企業(yè)轉(zhuǎn)型，即多工藝并存，分產(chǎn)品制定工藝路線。結(jié)構(gòu)特別復雜的、表面質(zhì)量要求極高的產(chǎn)品使用硅溶膠制殼工藝生產(chǎn)；結(jié)構(gòu)相對簡單、分型單一的產(chǎn)品轉(zhuǎn)向覆膜砂殼型鑄造工藝。利用覆膜砂殼型工藝生產(chǎn)周期短、制造成本低、尺寸穩(wěn)定、廢砂100%回收利用、質(zhì)量與熔模工藝相當，所以可以用來替代傳統(tǒng)熔模精密鑄造工藝[2]。本文以某鑄鋼控制臂為例，簡要闡述覆膜砂殼型鑄造工藝生產(chǎn)過程的探索和實踐，為鑄造同行研究覆膜砂鑄鋼產(chǎn)品應用及控制臂類鑄件的開發(fā)提供借鑒和經(jīng)驗。

1 鑄鋼控制臂工藝性分析

該鑄鋼控制臂單重為14 kg，要求表面光潔，無粘砂、橘皮、縮孔、裂紋等鑄造缺陷，抗拉強度≥830 MPa，屈服強度≥650 MPa，延伸率≥11%，硬度230 HB～289 HB，故采用高強高韌鋼調(diào)質(zhì)工藝保障其力學性能。對于殼型鑄造冷殼澆注來說，因其澆注溫度在1 600 ℃以上，這就要求型殼有更高的耐火度和相對較低的發(fā)氣量，另外相對平緩的充型方式減少沖砂、合適的澆注速度保證氣體有充足的時間排出型腔，只有這樣才能保證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。鑄鋼件相對球鐵件來說液態(tài)流動性較差，從液態(tài)到固態(tài)凝固過程中收縮率高達1.8%以上，在襯套孔根部等厚大部位更容易形成縮孔、縮松缺陷，造成產(chǎn)品強度不足，所以在熱節(jié)部位需要更大的澆冒口來補縮鑄件，防止縮孔形成。同時應盡可能增加排氣通道，改善砂殼排氣性，減少鑄件大氣孔缺陷產(chǎn)生。

2 澆注系統(tǒng)設計

控制臂一般為左右對稱件，充分考慮配套生產(chǎn)及制型效率，澆注系統(tǒng)設計為充型相對平穩(wěn)的側(cè)注式一組兩件，如圖1 所示，內(nèi)澆口扁長設計避免紊流，澆冒系統(tǒng)分離單獨補縮，橫澆道實現(xiàn)分流和限流作用，工藝出品率達55.1%，較熔模鑄造一組一件（如圖2 所示）出品率45%提升了近10 個百分點，同時全部澆冒口實現(xiàn)錘擊落件。排氣通道放置在鑄件頂端最高點，排氣孔直徑約30 mm，與澆口杯齊高，澆注時一側(cè)入水，另一側(cè)排氣。另外沿鑄件分型面一周設計尺寸為25 mm×0.3 mm 的間斷排氣片，這種方式既能保證鋼液不滴漏又能起到輔助排氣的效果，使得澆注過程中整個鑄件四周都有排氣通道，實踐證明，排氣片對降低鑄鋼件大氣孔缺陷效果十分顯著。該澆注系統(tǒng)集補縮、排氣、限流、緩沖于一體，生產(chǎn)十分高效，鑄件內(nèi)外質(zhì)量也滿足客戶的需求。

3 模具設計

覆膜砂殼型鑄造模具主要由型腔、排氣道、射砂道、頂桿、加熱管等組成，模具設計首要考慮的是分型面的選擇，合適的分型方案能最大限度的減少型芯的數(shù)量，進而減少鑄件批縫帶來的外觀不良、清理難度大等一系列問題?？刂票勰＞咴O計為4 個薄的砂殼側(cè)向疊箱而成，5 處型芯全部為中空或背部下沉結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，且型芯安裝槽實現(xiàn)鏤空設計，目的是減小型芯壁厚，保證其厚度均勻，進而盡可能減少發(fā)氣，所有型芯連接于本體砂殼尾部或模具角落處，4 副模具即可實現(xiàn)全部砂殼及型芯脫模。方形砂殼平均厚度為7 mm，背面用交叉筋板強化，澆冒系統(tǒng)等受熱時間較長的關(guān)鍵部位局部加厚保證砂殼強度及鑄型剛度，如圖4 所示。整個模組重量控制在40 kg 左右，實現(xiàn)砂鐵比低至1.46，在降低搬運強度的同時輔料成本也得到了節(jié)約。為便于排氣，模具分型面設計多處深度為0.5 mm 的沉槽，減少射砂對吹及射不實風險，砂芯致密性也得到了提升。另外加熱管布局依據(jù)砂殼厚度差異有所不同，厚大部位加熱管應密集分布且具有大功率，以達到砂殼受熱均勻，既不過燒也無生砂的效果，制芯班產(chǎn)達65 套/班。

4 滿足生產(chǎn)的工藝資源

設計合理的澆注系統(tǒng)，配以高質(zhì)量的模具，該鑄鋼控制臂工序效率優(yōu)勢明顯，從制作砂芯到完成澆注生產(chǎn)周期僅需1 天，工序投入產(chǎn)出率高達90%以上，綜合成本較熔模工藝降低1 300 元/t.但要滿足穩(wěn)定批量生產(chǎn)鑄鋼控制臂產(chǎn)品的要求，還需配置一些其他工藝資源。

圖1 控制臂殼型澆注系統(tǒng)

圖2 控制臂熔模澆注系統(tǒng)

圖3 型芯布局方案

圖4 砂殼疊箱示意圖

4.1 高強度低發(fā)氣鑄鋼覆膜砂

覆膜砂的性能直接決定了控制臂的質(zhì)量，首先需要耐1 600 ℃以上的高溫沖刷，澆注后延緩發(fā)氣時間、發(fā)氣量低，這就要求高品質(zhì)的鑄鋼覆膜砂原材料來保證，具體性能要求如表1 所示。

1）原砂：原砂要求SiO2質(zhì)量分數(shù)不低于98%，含泥質(zhì)量分數(shù)≤0.2%，且粒形圓整，采購的原硅砂需經(jīng)過特殊擦洗、烘干，才能滿足使用要求。

2）黏結(jié)劑：黏結(jié)劑含量偏低則覆膜砂強度不足，過高則發(fā)氣量較大，生產(chǎn)鑄鋼件必須選用鑄鋼專用覆膜砂，即純液態(tài)環(huán)保樹脂砂，具有高強度、低發(fā)氣量、延緩發(fā)氣時間、耐高溫沖刷、易潰散等特殊性能，只有使用這種樹脂作為黏結(jié)劑才能制造出高品質(zhì)的鑄件。

3）固化劑、潤濕劑、添加劑：固化劑通常采用烏洛托品即六亞甲基四胺，分子式為（CH2）6N4，潤滑劑一般采用硬脂酸鈣，其作用是防止覆膜砂結(jié)塊，增加流動性，提高充型緊實度，改善脫模性。常見的添加劑分為耐高溫添加劑（含碳材料或惰性材料）、易潰散添加劑（高錳酸鉀等）、增強增韌添加劑（有機硅烷）以及防粘砂添加劑和抗老化添加劑等等[3]。另外石墨粉也是常見的添加劑，其目的也是增加流動性。

表1 鑄鋼覆膜砂性能參數(shù)

4.2 雙工位翻轉(zhuǎn)射芯機

控制臂輪廓尺寸為500 mm×520 mm，加上澆冒系統(tǒng)及型芯，模具尺寸在680 mm×640 mm 左右，選擇雙工位翻轉(zhuǎn)制芯機兩臺，模具受熱溫度為240 ℃±10 ℃，射砂時間為3 s～5 s，固化結(jié)殼時間120 s，模具左右開合后動模翻轉(zhuǎn)90°后砂殼從高溫模具中直接頂出取模，單次開合節(jié)拍控制在4 min 以內(nèi)，左右件分別下芯合型后疊箱在一起，單獨粘接澆口杯及排氣冒口，兩人同時作業(yè)，班產(chǎn)達65 套/班。

4.3 熱噴涂料

為提高鑄鋼控制臂外觀質(zhì)量，消除殼型工藝常見橘皮、粘砂等鑄造缺陷，采用鋯英粉成分的水基涂料，在砂殼剛?cè)〕鰰r進行熱噴涂，利用砂殼的高溫作用將涂料中的水分瞬間蒸發(fā)，提高涂料在砂殼上的附著力。

4.4 砂殼緊固夾具

為提高砂殼組裝效率，使用工字型緊固夾具固定砂殼，替代傳統(tǒng)黏膠作業(yè)，組型效率提升30%，同時消除黏膠中的水分造成澆注發(fā)氣。

4.5 低溫烘烤砂殼

組裝完畢的砂殼在澆注前統(tǒng)一進入密閉的低溫烘烤通道，利用熔煉澆注的余熱對烘干道中的砂殼進行低溫烘烤，烘烤溫度一般控制在150 ℃～180℃，時間不低于4 h，烘烤可進一步去除砂殼中吸附的水分、潮氣等，大大減少澆注后皮下氣孔缺陷的產(chǎn)生，整個工藝生產(chǎn)流程如圖5 所示。

圖5 鑄鋼控制臂工藝流程

5 結(jié)論

1）控制臂類鑄鋼產(chǎn)品，采用覆膜砂殼型鑄造，技術(shù)逐漸趨于成熟，是未來替代硅溶膠精密鑄造的首選工藝。

2）與硅溶膠精密鑄造工藝對比，覆膜砂殼型鑄造在生產(chǎn)周期、效率、成本、環(huán)保等方面優(yōu)勢明顯，鑄造廢砂可完全回收再利用。

3）合理進行工藝設計、模具設計，輔以高強度低發(fā)氣的覆膜砂材料、先進的制芯設備、涂料及烘干技術(shù)等優(yōu)質(zhì)資源，并嚴控工藝參數(shù)、操作過程，能夠?qū)崿F(xiàn)殼型鑄鋼控制臂的穩(wěn)定生產(chǎn)。