復(fù)雜腔體鑄造成形預(yù)測(cè)及工藝方法研究

呂云琪，馬運(yùn)安，何亞峰

(1.溧陽(yáng)市萬(wàn)盛鑄造有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213353) (2.常州工學(xué)院航空與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

近年來(lái)，隨著高鐵技術(shù)的發(fā)展，薄壁、復(fù)雜、整體、精密鑄件制造已成為高鐵制動(dòng)系統(tǒng)零部件制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這類(lèi)鑄件結(jié)構(gòu)性好、可靠性高、質(zhì)量小、加工成本低，但是鑄件的質(zhì)量要求高，不能有夾渣、氣孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為鑄鋼件更能滿(mǎn)足高鐵系統(tǒng)中復(fù)雜的受力環(huán)境對(duì)機(jī)械性能的要求，而隨著球墨鑄鐵技術(shù)的發(fā)展與成熟，球墨鑄鐵的機(jī)械性能完全可以承受這種復(fù)雜受力環(huán)境。球墨鑄鐵在成本和生產(chǎn)工藝上比鑄鋼件具有更加可觀的經(jīng)濟(jì)性，因此工程機(jī)械上球墨鑄鐵件的應(yīng)用越來(lái)越多，其在高鐵制動(dòng)系統(tǒng)零部件上的應(yīng)用前景也越來(lái)越廣泛。衛(wèi)東海等[1]開(kāi)展了軌道交通用QT400—18LT球墨鑄鐵件性能研究，結(jié)果表明采用小頸保溫冒口和保溫覆蓋劑可加強(qiáng)補(bǔ)縮效果，有效消除了鑄件的縮孔、縮松缺陷。王金國(guó)等[2]采用有限元分析法模擬了碳當(dāng)量元素對(duì)亞共晶球墨鑄鐵流動(dòng)性的影響，結(jié)果表明對(duì)亞共晶球墨鑄鐵試樣進(jìn)行增碳或增硅處理后，螺旋試樣流股末端的晶粒得到細(xì)化，試樣流動(dòng)性得到提高。然而，由于受到各種因素的影響，采用球墨鑄鐵鑄造時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，研究者通過(guò)數(shù)值模擬或者工藝措施及時(shí)發(fā)現(xiàn)了這些問(wèn)題，提高了鑄件的合格率。梁作儉等[3]建立了模擬鐵型覆砂球墨鑄鐵件鑄造凝固過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，采用動(dòng)態(tài)膨脹收縮法預(yù)測(cè)球墨鑄鐵件的收縮缺陷，對(duì)球墨鑄鐵四缸曲軸新產(chǎn)品進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明：數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化有助于提高鐵型覆砂球墨鑄鐵件質(zhì)量，并降低成本。胡波等[4]采用EKK CAPCAST數(shù)值模擬軟件對(duì)球墨鑄鐵曲軸鑄造過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，預(yù)測(cè)了曲軸鑄造充型與凝固過(guò)程中可能產(chǎn)生的缺陷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在第四主軸頸內(nèi)出現(xiàn)裂縫，這主要是由于凝固時(shí)間不同步造成的[4]。

本文以高鐵制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜腔體為研究對(duì)象，采用Anycasting軟件對(duì)復(fù)雜腔體鑄造冒口設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)復(fù)雜腔體鑄造成形過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)復(fù)雜腔體工藝進(jìn)行改進(jìn)，得到了質(zhì)量較好的復(fù)雜腔體鑄造件。

1 復(fù)雜腔體模型

復(fù)雜腔體為高鐵制動(dòng)系統(tǒng)重要的殼體零件，如圖1所示，輪廓尺寸為380 mm×378 mm×220 mm，最小壁厚4.5 mm，最大壁厚53.8 mm，鑄件質(zhì)量25.2 kg。復(fù)雜腔體鑄件主體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，方形腔室和L形筋板存在多處30.0～53.8 mm的厚大熱節(jié)，且各熱節(jié)部位互相分割，給設(shè)置和清理補(bǔ)縮冒口增加了很大的難度。因而，采用覆膜砂殼型工藝制作生產(chǎn)殼芯，并用樹(shù)脂砂將合好的砂殼進(jìn)行包裹，以保證尺寸的穩(wěn)定。

圖1 高鐵制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜腔體示意

2 復(fù)雜腔體澆注系統(tǒng)建模

考慮到高鐵制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜腔體最大壁厚和最小壁厚相差49.3 mm，壁厚變化比較大，熱節(jié)點(diǎn)較多，容易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，因而在復(fù)雜腔體鑄造設(shè)計(jì)時(shí)分別采用普通冒口和保溫冒口(如圖2所示)，并對(duì)兩者進(jìn)行數(shù)值模擬，從而判斷復(fù)雜腔體鑄造成形狀況。

圖2 復(fù)雜腔體鑄造冒口

3 復(fù)雜腔體鑄造數(shù)值模擬

根據(jù)高鐵制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜腔體普通冒口和保溫冒口設(shè)計(jì)情況，采用Anycasting軟件開(kāi)展復(fù)雜腔體鑄造成形過(guò)程分析，從而預(yù)測(cè)和判斷復(fù)雜腔體缺陷位置。

3.1 縮孔分布

分別采用普通冒口和保溫冒口的復(fù)雜腔體鑄造縮孔分布如圖3所示。由圖可以看出，采用普通冒口時(shí)，復(fù)雜腔體鑄件內(nèi)部有大的縮孔發(fā)生，大型縮孔主要集中在冒口與流道中；采用保溫冒口時(shí)，鑄件內(nèi)部無(wú)縮孔發(fā)生。

圖3 復(fù)雜腔體鑄造縮孔分布

3.2 縮松分布

分別采用普通冒口和保溫冒口的復(fù)雜腔體鑄造縮松分布如圖4所示。由圖可以看出，使用普通冒口時(shí)，由于鑄件內(nèi)部型腔復(fù)雜，冒口補(bǔ)縮效果較差，因此縮松區(qū)域較多；使用保溫冒口可延緩冒口冷卻時(shí)間，鑄件基本實(shí)現(xiàn)順序凝固，冒口補(bǔ)縮效率高，鑄件內(nèi)部縮松缺陷明顯減少。

圖4 復(fù)雜腔體鑄造縮松分布

由于保溫冒口的蓄熱能力比普通冒口強(qiáng)，因此冒口內(nèi)鐵液凝固時(shí)間長(zhǎng)，從而改變了復(fù)雜腔體的凝固場(chǎng)，延長(zhǎng)了冒口鐵液補(bǔ)縮時(shí)間，提高了冒口對(duì)鑄件的補(bǔ)縮效率，進(jìn)而保證了鑄件的致密性。

4 高鐵制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜腔體鑄造工藝改進(jìn)

4.1 無(wú)冷鐵對(duì)復(fù)雜腔體鑄造縮松影響

為了掌握無(wú)冷鐵時(shí)復(fù)雜腔體鑄造的缺陷程度，采用無(wú)冷鐵時(shí)的復(fù)雜腔體澆注的鑄件研究其補(bǔ)縮效果，如圖5所示。由圖可以看出，無(wú)冷鐵時(shí)復(fù)雜腔體在熱節(jié)位置縮松明顯。

圖5 無(wú)冷鐵時(shí)鑄件熱節(jié)部位產(chǎn)生的縮松

4.2 無(wú)冷鐵對(duì)復(fù)雜腔體鑄造金相組織影響

采用無(wú)冷鐵時(shí)澆注的復(fù)雜腔體金相組織如圖6所示。由圖可以看出，從熱節(jié)部位取金相試塊觀察金相組織，微觀組織球化率為85%，珠光體含量為45%。

4.3 冷鐵厚度對(duì)復(fù)雜腔體鑄造影響

從無(wú)冷鐵時(shí)的復(fù)雜腔體熱節(jié)部位金相組織可以看出，復(fù)雜腔體鑄件出現(xiàn)了較大的縮松缺陷，為了避免和消除缺陷，本文針對(duì)縮松部位采用外冷鐵激冷的工藝消除縮松。為驗(yàn)證冷鐵對(duì)球化率、珠光體含量等微觀組織產(chǎn)生的影響，分別采用10,12,14 mm等不同厚度的冷鐵進(jìn)行激冷，從冷鐵上方鑄件本體位置取金相進(jìn)行分析，以研究外冷鐵對(duì)復(fù)雜腔體鑄造質(zhì)量的影響。

圖6 無(wú)冷鐵時(shí)熱節(jié)部位取樣金相組織

冷鐵的作用是加快熱節(jié)的冷卻速度，減少成分的偏析。在冷卻速度較快的條件下，鑄鐵中碳元素以滲碳體(Fe3C)碳化物形式存在，這在高鐵列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中是絕不允許存在的,而合適的冷鐵厚度可以避免滲碳體的產(chǎn)生，這點(diǎn)可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)證明。

從圖7、圖8和圖9可以看出，冷鐵厚度的增加不會(huì)影響球化效果，從而改變球化率。金相顯示，冷鐵厚度增加會(huì)導(dǎo)致鑄件珠光體含量上升，產(chǎn)生白口趨勢(shì)，因此冷鐵過(guò)厚時(shí)會(huì)增加鑄件的白口趨勢(shì)和白口層深度。為保證無(wú)白口，選用薄冷鐵控制縮松，這樣既避免了鑄件熱節(jié)部位出現(xiàn)縮松，又避免了過(guò)度激冷導(dǎo)致的白口化。通過(guò)對(duì)比復(fù)雜腔體鑄件金相組織，最終采用10 mm冷鐵作為外冷鐵，從而保證了復(fù)雜腔體鑄件的質(zhì)量。

圖7 不同厚度冷鐵對(duì)復(fù)雜腔體滲碳體影響

圖8 不同厚度冷鐵對(duì)復(fù)雜腔體珠光體影響

圖9 3種厚度冷鐵下球化率均為85%

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)復(fù)雜腔體鑄造成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，為預(yù)測(cè)復(fù)雜腔體鑄造缺陷提供了理論依據(jù)。

設(shè)計(jì)的普通冒口和保溫冒口縮孔、縮松計(jì)算結(jié)果表明，保溫冒口有利于減少或消除鑄造缺陷。

通過(guò)對(duì)比復(fù)雜腔體鑄件金相組織可知，無(wú)冷鐵時(shí)復(fù)雜腔體在熱節(jié)位置縮松明顯，有冷鐵時(shí)復(fù)雜腔體縮松明顯改善。研究發(fā)現(xiàn)，冷鐵厚度的增加對(duì)球化率無(wú)明顯影響，但冷鐵過(guò)厚時(shí)會(huì)增加鑄件的白口傾向，綜合兩者考慮，外冷鐵厚度以10 mm為宜。