大型鑄造砂箱結(jié)構(gòu)及鑄造工藝設(shè)計(jì)探討

齊 建 ，陳 鵬 ，秦 鵬 ，張永青 ，譚傳寶

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061；2.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊 261108）

鑄造用砂箱是鑄造廠必不可少的工藝裝備，主要用于承載并定型砂型、使得金屬液澆入砂型之后獲得形狀完好的鑄件，特別在多品種小批量生產(chǎn)時(shí)，因鑄件形狀不同，大小不一，需要砂箱的規(guī)格也不同。

根據(jù)公司規(guī)劃，需要進(jìn)行大型船用發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)，在機(jī)體鑄造工藝開發(fā)中需要進(jìn)行砂箱的設(shè)計(jì)制作。機(jī)體鑄件采用堿性酚醛樹脂自硬砂工藝生產(chǎn)，手工造型、制芯，確定為三箱水平造型工藝。在滿足鑄造工藝要求的前提下，為了確保足夠的強(qiáng)度和剛度，在使用中要保證不斷裂或發(fā)生過大變形；并且對型砂有足夠的附著力，使用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂；砂箱載重大又要長期使用?；谝陨峡紤]決定采用整鑄式球墨鑄鐵砂箱。

1 砂箱設(shè)計(jì)

砂箱在鑄造車間配合行車使用，需滿足造型、合模、開箱等操作需求，應(yīng)設(shè)計(jì)為可吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝要求，一套砂箱設(shè)計(jì)為上中下三扇。

砂箱外形為長方形，單層壁結(jié)構(gòu)，有吊軸、吊耳，箱壁有排氣孔，有箱帶以提高砂型的強(qiáng)度；砂箱的兩端設(shè)有箱耳，用于安裝定位銷和定位套，以確保造型合型的定位精度；在砂箱上設(shè)有緊固結(jié)構(gòu)；單扇砂箱采用整鑄式。

1.1 砂箱尺寸

砂箱名義尺寸是根據(jù)機(jī)體鑄件輪廓尺寸、鑄造工藝、每箱生產(chǎn)件數(shù)、吃砂量要求確定的。另外設(shè)計(jì)砂箱時(shí)長度和寬度應(yīng)是50或100的倍數(shù)，高度應(yīng)是20或50的倍數(shù)。基于以上考慮，下、中、上砂箱內(nèi)框尺寸（長×寬×高）定為6 500 mm×2 800 mm×550 mm/700 mm/750 mm.

2.2 箱壁

砂箱壁的斷面形狀、尺寸影響強(qiáng)度和剛度。本砂箱為手工多箱造型，中箱因無箱帶，將三扇砂箱均設(shè)計(jì)成上、下兩面帶內(nèi)外凸緣結(jié)構(gòu)。內(nèi)凸緣防止砂型在翻轉(zhuǎn)、搬運(yùn)過程中塌落；外凸緣增加砂箱強(qiáng)度和剛度，并可加大接觸面積而減少接觸應(yīng)力。為減小砂箱壁的厚度而不影響砂箱的強(qiáng)度和剛度，在砂箱壁的外側(cè)做出縱向和橫向加強(qiáng)肋，并避開砂箱的定位和緊固。砂箱的箱壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 箱壁和縱、橫向加強(qiáng)筋示意圖

1.3 箱帶

砂箱為大型砂箱，應(yīng)設(shè)計(jì)箱帶，以增加對型砂的附著面積和附著力，提高砂型總體強(qiáng)度和剛性，防止塌箱和掉砂，延長砂箱使用期限；但箱帶使填砂和落砂困難，限制澆冒口的布局。

將上、下砂箱的箱帶布為長方形方格，箱帶間距設(shè)計(jì)為300 mm～550 mm，箱帶高度取值為砂箱高度的0.3倍,如圖2a）、c）所示；中砂箱箱帶則根據(jù)附著砂型的尺寸設(shè)計(jì)異型箱帶；箱帶布置如圖2b）所示。另外砂箱的局部最小吃砂量為45 mm，分型面處的吃砂量為162 mm；避讓開了澆冒系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等

1.4 砂箱定位

圖2 上、中、下砂箱箱帶布置示意圖

砂箱采用定位銷進(jìn)行定位，因此需同時(shí)考慮箱耳的設(shè)計(jì)。砂箱的定位裝置由箱耳、銷套、定位銷三部分組成，（箱耳僅以下砂箱示意，其他砂箱此結(jié)構(gòu)相同）如圖3所示。

圖3 砂箱定位示意圖

1.4.1 箱耳設(shè)計(jì)

箱耳的尺寸應(yīng)足夠大，以便加工和安裝定位銷；箱耳的高度應(yīng)低于分箱面，（如圖3中所示10 mm間隙）防止變形后造型時(shí)砂箱與型板出現(xiàn)間隙或合箱時(shí)砂箱配合面產(chǎn)生間隙。

1.4.2 定位銷套、導(dǎo)向銷套

為了增加耐磨性，延長砂箱使用壽命，在箱耳的銷孔內(nèi)鑲銷套。另外砂箱在使用過程中，由于受熱或受型砂張力作用，很容易變形，使兩端定位銷的中心距增大，為防止這種情況的產(chǎn)生，將砂箱一端的銷套內(nèi)孔做成圓形起定位作用；另一端的銷套內(nèi)孔做成橢圓形，以補(bǔ)償上、下兩砂箱定位孔間距的誤差。此類銷套的材質(zhì)一般為45#鋼，經(jīng)淬火處理后洛氏硬度達(dá)到HRc40～HRc45方可，尺寸如圖4所示。

1.4.3 定位銷

選擇定位銷的長度要考慮砂箱的高度，砂箱高度不大時(shí)用合箱插銷，高度大時(shí)用合箱座銷，定位形式如圖5所示。在造型過程中定位銷一般會(huì)以座銷的形式安裝在型板上，所以采用座銷的方式進(jìn)行定位（d式）；而在合箱過程中定位銷的使用方式比較靈活，中間箱可用座銷形式（d式），上箱采用插銷（c式）的方式進(jìn)行，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。定位銷一般為45#鋼經(jīng)淬火處理后洛氏硬度達(dá)到HRc40～HRc45 方可[1]。

1.5 搬運(yùn)、翻箱結(jié)構(gòu)

圖4 定位銷套、導(dǎo)向銷套

圖5 合箱銷形式及尺寸

設(shè)計(jì)砂箱上搬運(yùn)和翻箱結(jié)構(gòu)主要應(yīng)考慮安全可靠，方便靈活。主要結(jié)構(gòu)形式有箱把、吊軸、吊環(huán)、插軸式吊耳等。箱把用于小砂箱，吊軸廣泛用于各種中大砂箱，吊環(huán)、插軸式吊耳主要用于大型砂箱。這些吊運(yùn)結(jié)構(gòu)應(yīng)以一次起吊一疊鑄型的最大重量作為計(jì)算吊軸或吊環(huán)的依據(jù)，應(yīng)給出較大的安全系數(shù)。本砂箱同時(shí)采用吊軸和吊環(huán)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

吊環(huán)、吊軸和手把一般用鋼材制造，用鑄接法同砂箱相連結(jié)，鑄接必須牢靠。吊軸、吊環(huán)上的鑄接部分應(yīng)加工出溝槽或倒刺。也可用整鑄法，但應(yīng)保證無縮孔、裂紋等缺陷，為此，箱軸常設(shè)計(jì)成中空的，或鑄造時(shí)應(yīng)用內(nèi)冷鐵。確定砂箱的搬運(yùn)、翻箱結(jié)構(gòu)后，每扇砂箱有6處吊軸并在吊軸處鑄入（φ40 mm）圓鋼，如圖6所示。

1.6 砂箱的緊固

圖6 砂箱吊軸、插軸式吊耳

為防止脹箱、跑火等缺陷，上下箱間應(yīng)緊固。常見的緊固方式有：手工夾緊(楔形箱卡)法、上箱自重法、壓鐵法、螺栓鎖緊法等。手工夾緊、上箱自重法和壓鐵法多用于中小件，螺栓鎖緊法主要用于中大型砂箱的小批量生產(chǎn)中。因此本砂箱設(shè)計(jì)為螺栓鎖緊法。

1.7 其他要求

在砂箱上增加一些附屬結(jié)構(gòu)如下芯定位框定位孔，可方便研箱砂芯的定位，具體結(jié)構(gòu)應(yīng)從強(qiáng)度、現(xiàn)場配套吊具方面考慮。下芯定位框定位孔如圖7（橢圓框所示）所示。

圖7 下芯定位框定位孔及使用示意圖

2 砂箱CAE仿真計(jì)算

通過不同的吊裝方式計(jì)算砂箱的強(qiáng)度及變形情況，根據(jù)結(jié)果修正砂箱模型再計(jì)算，最終確定砂箱模型。

2.1 吊軸吊裝

單獨(dú)吊運(yùn)下砂箱和砂型時(shí)，如圖8所示標(biāo)記的吊軸，前后兩端共4處，砂型重9.35 t（不含砂箱自重）。

2.2 單獨(dú)吊運(yùn)插銷式吊耳

單獨(dú)吊運(yùn)下砂箱和砂型時(shí)，如圖9所示4處吊耳，吊耳內(nèi)插入一個(gè)φ50 mm的銷棒吊裝，砂型重9.35 t（不含砂箱自重）。

2.3 整體吊運(yùn)插銷式吊耳

整體吊裝砂箱和砂型時(shí)，如圖10所示4處吊耳。吊耳內(nèi)插入一個(gè)φ50 mm的銷棒用吊裝，砂型、鑄件和砂箱共重97.95 t.

2.4 CAE分析結(jié)果

圖8 吊軸吊裝受力分析

圖9 插銷式吊耳吊裝受力分析

圖10 插銷式吊耳整體吊裝受力分析

對以上三種吊裝方式進(jìn)行受力計(jì)算分析，分別計(jì)算在1.5g加速度和1g加速度兩種工況下的砂箱Mises應(yīng)力及砂箱變形情況，得出結(jié)論：下砂箱單獨(dú)吊裝情況下在1.5g加速度工況下其Mises應(yīng)力均小于材料QT500的抗拉屈服強(qiáng)度320 MPa；砂箱整體吊裝情況下，在1g加速度工況下其Mises應(yīng)力均小于材料抗拉屈服強(qiáng)度320 MPa.在1.5g加速度工況下其Mises應(yīng)力局部區(qū)域大于320 MPa，除部分應(yīng)力集中區(qū)域外均小于抗拉強(qiáng)度500MPa，除部分應(yīng)力集中區(qū)域外最大主應(yīng)力均在抗拉強(qiáng)度500 MPa以內(nèi)。

將局部箱筋的厚度由40 mm增加至50 mm，再進(jìn)行受力計(jì)算分析，原應(yīng)力集中部位已滿足使用要求；設(shè)計(jì)砂箱的材質(zhì)、吊裝結(jié)構(gòu)、箱壁、箱帶等均符合使用要求。

3 砂箱鑄造工藝設(shè)計(jì)

3.1 工藝方案制定

經(jīng)過對砂箱鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性分析及結(jié)合公司生產(chǎn)條件，決定采用手工堿性酚醛樹脂砂造型、制芯。采用地坑造型；制芯需新制木質(zhì)工裝；地坑澆口箱拔塞澆注，隨流孕育；壓火7日后，震動(dòng)落砂，手工清理。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

以下砂箱為例，砂箱鑄件采用一箱一件工藝，整體放1%的縮尺，澆注上平面加工余量為20 mm，其余未注加工余量為15 mm，外型四周為活塊結(jié)構(gòu)，拔模斜度為2°，澆注系統(tǒng)示意圖如圖11所示。

圖11 下砂箱工藝設(shè)計(jì)示意圖

3.2.1 澆注時(shí)間的確定

下砂箱毛坯重9300kg，澆注時(shí)間按下式計(jì)算[2]：

式中：t為澆注時(shí)間，s；m為毛坯重量，kg.

3.2.2 阻流截面的確定

阻流截面積應(yīng)按下列公式計(jì)算[3]：

∑A阻==110.9 cm2；式中：K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值范圍為：1.1～2.0，取值原則是小型氣缸體及厚壁簡單者取上限，大型氣缸體及復(fù)雜薄壁者取下限。

采用封閉開放式澆注系統(tǒng)，各組元截面的比例為A直∶A橫∶A內(nèi)=1.21∶1.0∶1.19，阻流截面之前封閉，其后開放，既有利于擋渣，又使充型平穩(wěn)，兼有封閉式和開放式的優(yōu)點(diǎn)。

3.2.3 澆注系統(tǒng)校核

型內(nèi)液面上升速度按照下列公式計(jì)算[4]：

VL==1.2 cm/s； 該澆注速度介于鑄鐵件要求的最大和最小上升速度，可以作為適用的澆注時(shí)間。

4 砂箱現(xiàn)場使用情況

鑄造砂箱經(jīng)過加工后投入現(xiàn)場使用，經(jīng)驗(yàn)證，砂箱在造型、周轉(zhuǎn)以及澆注后滿載情況未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重變形、破裂等問題，滿足生產(chǎn)使用要求。現(xiàn)場使用情況見圖12.

圖12 砂箱澆注和起吊

5 結(jié)論

通過砂箱設(shè)計(jì)，建立了大型鑄造砂箱的設(shè)計(jì)流程，保證了砂箱設(shè)計(jì)制作一次性成功率，節(jié)約了成本，保證了產(chǎn)品項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

1）大型鑄造砂箱需求少，設(shè)計(jì)制作經(jīng)驗(yàn)不足，砂箱各結(jié)構(gòu)要素設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)手冊以及各方經(jīng)驗(yàn)等要求，可以充分保證砂箱的功能性需求。

2）由于大型鑄造砂箱設(shè)計(jì)制作周期長，成本高。砂箱鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，建議進(jìn)行工況CAE仿真計(jì)算，充分考慮砂箱使用過程中的強(qiáng)度、變形等問題，避免設(shè)計(jì)制作的反復(fù)。

3）大型砂箱制作過程中，應(yīng)將砂箱鑄件當(dāng)做關(guān)鍵鑄件，進(jìn)行砂箱鑄件的工藝方案論證和充分的工藝設(shè)計(jì)，保證鑄件成品率。