基于數(shù)值模擬的球墨鑄鐵軸承蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)開發(fā)

畢海香， 李繼超， 楊恒遠(yuǎn)，于建忠

1．濰柴重機(jī)股份有限公司 山東濰坊 261108

2．濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東濰坊 261108

軸承蓋是柴油機(jī)的重要部件，半圓弧面安裝軸瓦，兩側(cè)的貫穿螺栓孔通過螺栓與機(jī)體聯(lián)接，主要承受爆發(fā)壓力和往復(fù)慣性力作用，質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。

1 鑄件簡介

某種柴油機(jī)軸承蓋輪廓尺寸527mm×302mm×118mm，中間最小壁厚25mm，毛坯重量110kg，材質(zhì)QT400-15，要求抗拉強(qiáng)度≥400MPa，屈服強(qiáng)度≥250MPa， 伸長率≥15%， 本體硬度135～185HBW。 關(guān)鍵部位必須做無損檢測，不允許有任何鑄造缺陷。

2 工藝設(shè)計(jì)及模擬分析

根據(jù)公司現(xiàn)有條件，采用堿性酚醛樹脂砂工藝造型，并借用了現(xiàn)有砂箱，一箱2件生產(chǎn)。鑄件水平放置、中間分型，采用了開放式澆注系統(tǒng)，保證了澆注過程中鐵液充型平穩(wěn)，避免形成因鐵液飛濺、裹氣帶來的氧化夾渣和氣孔等缺陷。貫穿螺栓孔直徑40mm，鑒于細(xì)長砂芯極易變形，加工時(shí)容易局部缺料，工藝設(shè)計(jì)時(shí)決定貫穿螺栓孔不鑄出，而是后續(xù)加工形成。鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)

澆注溫度高時(shí)，鐵液流動(dòng)性好，有利于夾渣上浮，補(bǔ)縮效果好，但溫度太高也會(huì)增大液體收縮量，反而容易形成縮松、縮孔，因此為了平衡產(chǎn)生縮松、夾渣的風(fēng)險(xiǎn)，澆注溫度定為1340～1350℃。為避免殘余應(yīng)力，減少組織內(nèi)珠光體含量，從而獲得良好的韌性，澆注完成后型內(nèi)冷卻時(shí)間不小于48h，自然時(shí)效，不需要去應(yīng)力退火。

球墨鑄鐵具有糊狀凝固特性。由于這種糊狀凝固特性以及凝固時(shí)間較長，造成凝固時(shí)球墨鑄鐵件的外殼長期處于較軟狀態(tài)，在石墨化膨脹力作用下外殼二次膨脹，松弛了內(nèi)部壓力，容易在鑄件熱節(jié)處形成縮松甚至縮孔，使鑄件的致密性下降[1]。因此，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)我們重點(diǎn)關(guān)注了縮松問題。

經(jīng)分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種工藝方案（見圖2），并利用MAGMA軟件進(jìn)行了工藝模擬分析預(yù)測，如圖3所示。

方案1：上下全冷鐵工藝，利用冷鐵的激冷效果改變鑄件的溫度場，并利用石墨膨脹自補(bǔ)縮能力解決縮松缺陷。

方案2：底面冷鐵+頂面保溫冒口工藝，主要利用冒口的補(bǔ)縮能力解決鑄件可能產(chǎn)生的縮松問題。

圖2 鑄造工藝方案

圖3 工藝模擬

從圖3鑄件熱節(jié)分布中可以看出：方案1中熱節(jié)處于軸承蓋心部，呈水平U形分布；方案2中熱節(jié)處于軸承蓋頂部，呈垂直傾斜的錐形。

鑄件潛在縮松風(fēng)險(xiǎn)分布情況如圖4所示。

圖4 縮松風(fēng)險(xiǎn)分布及嚴(yán)重度

從圖4可以看出，方案1中軸承蓋非加工曲面處存在潛在縮松風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測缺陷嚴(yán)重度為8.9%～12%；方案2中冒口頸與鑄件連接處存在潛在縮松風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測缺陷嚴(yán)重度高達(dá)11%～58%，而且出氣孔根部也存在潛在縮陷風(fēng)險(xiǎn)。

從模擬分析結(jié)果來看，方案1中的縮松主要分布在軸承蓋非加工面底部，基本處于鑄件心部。本工藝中冷鐵布置改變了溫度場，石墨化膨脹發(fā)揮了作用，起到了自補(bǔ)縮效果；方案2中的縮松主要分布在保溫冒口根部，即冒口頸與鑄件相連部位，且縮松傾向嚴(yán)重，可能是冒口尺寸設(shè)計(jì)不合理，如冒口偏小，會(huì)使冒口中的鐵液先于鑄件熱節(jié)凝固，起不到補(bǔ)縮作用，反而從熱節(jié)倒抽鐵液；冒口高度偏小則壓力不足，沒有足夠的動(dòng)力將鐵液送入鑄件，都會(huì)引起鑄件縮松[2]。

隨后我們改進(jìn)了保溫冒口尺寸并進(jìn)行了模擬分析，保溫冒口尺寸由φ100mm×130mm改為φ120mm×170mm，同時(shí)冒口頸由原先的自硬砂制芯改為與保溫冒口配套的標(biāo)準(zhǔn)易割片。模擬結(jié)果（見圖5、圖6）顯示冒口加大后，冒口的補(bǔ)縮作用顯著，將熱節(jié)轉(zhuǎn)移到了冒口內(nèi)部，鑄件內(nèi)部沒有縮松。

圖5 工藝改進(jìn)后熱節(jié)分布

圖6 工藝改進(jìn)后縮松分布

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

按照全冷鐵工藝和改進(jìn)后的保溫冒口工藝各生產(chǎn)了兩箱（見圖7），并進(jìn)行了解剖驗(yàn)證，兩種工藝生產(chǎn)的毛坯全部合格。解剖后鑄件內(nèi)部組織很致密，如圖8、圖9所示。全冷鐵工藝生產(chǎn)的鑄件心部沒有發(fā)現(xiàn)縮松，頂部保溫冒口+底部冷鐵工藝生產(chǎn)的鑄件心部及冒口根部也都沒有縮松。

兩種工藝生產(chǎn)的鑄件毛坯都合格，但考慮到工藝出品率，最后選用了全冷鐵工藝組織生產(chǎn)，到目前為止共生產(chǎn)了20件軸承蓋鑄件，毛坯全部合格。加工了10件，貫穿螺栓孔、側(cè)拉螺栓孔及潤滑油孔內(nèi)均無縮松，無損檢測滿足要求。

圖7 生產(chǎn)驗(yàn)證

圖8 全冷鐵工藝解剖

圖9 改進(jìn)后冒口工藝解剖

4 結(jié)束語

1）厚大中型球墨鑄鐵鑄件可以利用石墨膨脹化的自補(bǔ)縮能力消除縮松，從而實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造。

2）數(shù)值模擬分析在工藝設(shè)計(jì)階段起到了至關(guān)重要的作用，可以提高工藝可行性，縮短驗(yàn)證周期，降低生產(chǎn)驗(yàn)證成本。