某U 型結(jié)構(gòu)鑄鐵件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)縮孔的影響及改善

王 丹，欒林波，游 恒

（東風(fēng)精密鑄造有限公司，湖北 武當(dāng)山 442714）

縮孔是精密鑄造鑄鐵件最常見的缺陷之一[1]，鑄件凝固時(shí)因液態(tài)收縮和凝固收縮使鑄件最后凝固部分出現(xiàn)孔洞缺陷。熔模精密鑄造縮孔產(chǎn)生主要原因[2-3]包括：鑄件結(jié)構(gòu)不合理、碳當(dāng)量、工藝設(shè)計(jì)不合理。某U 型結(jié)構(gòu)鑄鐵件在實(shí)際鑄造過程中在彎折處產(chǎn)生比例高達(dá)80%縮孔問題，本文通過一型組件數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，分析鑄件內(nèi)澆口數(shù)量及大小臨界值對(duì)縮孔產(chǎn)生的影響，并應(yīng)用CAE 分析技術(shù)及實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)該U 型結(jié)構(gòu)鑄鐵件縮孔形成機(jī)理及消除方法進(jìn)行研究。

1 生產(chǎn)狀況

U 型結(jié)構(gòu)鑄鐵件如圖1 所示，具有以下特點(diǎn)：壁厚比例A/B＞1.5，彎折處壁厚C/B＞1，彎折處實(shí)際熱結(jié)較大不容忽視。

圖1 U 型鑄鐵件結(jié)構(gòu)

鑄件成型后經(jīng)過X 光探傷機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)80%比例縮孔，位置相對(duì)集中分布在圖2a）所示位置，位于腹板與筋板拐角處。實(shí)物解剖后縮孔大小及形態(tài)如圖2b）所示。

圖2 縮孔位置

2 縮孔機(jī)理分析

縮孔的產(chǎn)生原因有多種，熔模精密鑄造縮孔產(chǎn)生的主要原因包括：鑄件結(jié)構(gòu)存在明顯孤立熱節(jié)及壁厚不均等不合理設(shè)計(jì)導(dǎo)致縮孔傾向增加，碳當(dāng)量不足導(dǎo)致石墨膨脹量不足產(chǎn)生縮孔風(fēng)險(xiǎn)，澆注系統(tǒng)等工藝設(shè)計(jì)不合理易導(dǎo)致補(bǔ)縮不良引起縮孔。因此，從這三個(gè)主要原因進(jìn)行排查分析認(rèn)為，鑄件結(jié)構(gòu)壁厚相對(duì)較均勻，無明顯孤立熱節(jié)和壁厚不均，碳當(dāng)量在澆注前已確認(rèn)，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此主要考慮澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件縮孔的影響。

原方案鑄件澆注系統(tǒng)如圖3 所示，澆口放置于兩關(guān)鍵區(qū)域上，澆注系統(tǒng)采用側(cè)注式。應(yīng)用PROCAST 進(jìn)行鑄造CAE 分析，圖4 模擬結(jié)果表明鑄件沒有縮孔傾向，凝固過程有輕微斷流傾向。

圖3 澆注系統(tǒng)原方案

圖4 模擬結(jié)果

經(jīng)過對(duì)產(chǎn)品的凝固過程及制造過程進(jìn)行分析，造成縮孔的原因，分為兩方面：1）鑄件內(nèi)澆口設(shè)計(jì)不合理，球鐵膨脹系數(shù)不足以補(bǔ)縮；2）鑄件靠近澆口棒位置型殼包裹，散熱差，中間位置凝固過程緩慢，在澆口斷流之前未發(fā)生石墨化膨脹而導(dǎo)致縮孔缺陷。

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)澆注系統(tǒng)散熱進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)內(nèi)澆口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 優(yōu)化改進(jìn)及試驗(yàn)方案

3.1 型殼散熱改進(jìn)

凝固過程的溫度場變化及收縮是導(dǎo)致縮孔的主要原因[4]。鑄件現(xiàn)有組樹方案如圖3b），型殼靠近澆口棒附近鑄件預(yù)留間隙小，砂殼包裹嚴(yán)實(shí)易導(dǎo)致散熱不良。設(shè)計(jì)兩種改進(jìn)方案：1）優(yōu)化組件數(shù)量為5件，增大型殼間隙，增大散熱，如圖5a）；2）優(yōu)化組件數(shù)量為4 件，進(jìn)一步增大型殼間隙，增大散熱量，如圖5b）.表1 為實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 組件數(shù)調(diào)整改進(jìn)型殼散熱方案

表1 組件數(shù)調(diào)整后鑄件產(chǎn)生結(jié)果縮孔統(tǒng)計(jì)

3.2 內(nèi)澆口優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)此U 型結(jié)構(gòu)鑄鐵件分析，此類結(jié)構(gòu)鑄件要求順序凝固，內(nèi)澆口應(yīng)開設(shè)在厚壁處[5]。在組件數(shù)調(diào)整優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，在鑄件分型取模方便的前提下對(duì)內(nèi)澆口大小及數(shù)目進(jìn)行交叉優(yōu)化驗(yàn)證改進(jìn)，選擇兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比。

方案1：增大內(nèi)澆口縮頸直徑，如圖6a）；

方案2：增加內(nèi)澆口數(shù)量，由原始雙澆口改為三澆口設(shè)計(jì)，如圖6b），并調(diào)整新增澆口縮頸大小，設(shè)計(jì)縮頸d 分別為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm，找出消除縮孔的澆口縮頸大小臨界值。

圖6 內(nèi)澆口方案優(yōu)化

圖8 為調(diào)整后模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)方案1 經(jīng)過內(nèi)澆口尺寸調(diào)整后，斷流傾向小于原方案，但沒有消除，如圖7a）；方案2 在縮孔部位增加內(nèi)澆口，分別按照縮頸d 分別為8mm、10mm、12mm、14mm 進(jìn)行模擬，如圖7b），均無斷流。

圖7 縮孔優(yōu)化鑄造CAE 分析

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)鑄造CAE 分析結(jié)果，調(diào)整內(nèi)澆口數(shù)量，并配置不同尺寸縮頸進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，確定出內(nèi)澆口縮頸大小臨界值。圖8 為實(shí)際試驗(yàn)照片，調(diào)整后縮孔比例見表2.結(jié)果表明，方案1 仍存在縮孔（見圖8a）），方案2 經(jīng)過增加內(nèi)澆口，實(shí)物探傷存在一定比例縮孔（見表2），方案2 經(jīng)過調(diào)整內(nèi)澆口縮頸尺寸發(fā)現(xiàn)當(dāng)縮頸d 為12 mm，即縮頸斜體d 大于熱節(jié)圓直徑的70%時(shí)從根本上消除了縮孔傾向，是改善效果中最明顯也最徹底的方法。

圖8 方案1 實(shí)物驗(yàn)證圖

表2 調(diào)整澆口方案產(chǎn)生縮孔結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 鑄造CAE 模擬準(zhǔn)確度分析及模擬驗(yàn)證

根據(jù)內(nèi)澆口調(diào)整的鑄造CAE 分析可見，常規(guī)鑄造CAE 分析對(duì)鑄造球鐵件模擬準(zhǔn)確度不高，通過猜想決定增加熱輻射后對(duì)方案2 進(jìn)行模擬，如圖9a）所示，結(jié)果顯示無縮孔傾向（圖9b）），但有很輕微斷流傾向（圖9c）），與實(shí)物存在比例7.9%比例縮孔情況基本吻合。

在此猜想下，對(duì)前期同類問題某支架增加熱輻射鑄造CAE 模擬（圖9d））分析后，結(jié)果顯示無縮孔傾向（圖9e）），但有很輕微斷流傾向（圖9f））.與實(shí)物存在縮孔情況基本吻合。

圖9 增加熱輻射后鑄造CAE 分析結(jié)果

6 結(jié)論

1）本案例中更換組件數(shù)量對(duì)鑄件的內(nèi)部質(zhì)量有一定影響，在解決縮孔問題中也起到了良好的作用，因此在布置組件數(shù)量時(shí)要考慮到組件和棒模間隙＞型殼厚度，保證型殼有一定的散熱通道；

2）實(shí)際生產(chǎn)中，精密鑄鐵件膨脹系數(shù)根據(jù)每個(gè)結(jié)構(gòu)不同誤差比較大，本案例中內(nèi)澆口數(shù)量調(diào)整解決了大部分問題。因此，在生產(chǎn)實(shí)際中，當(dāng)精密鑄鐵件調(diào)整縮頸效果不理想時(shí)要考慮增加內(nèi)澆口數(shù)量。

3）本案例中在澆口數(shù)量增加后，依舊問題沒有徹底消除，經(jīng)過實(shí)物驗(yàn)證縮頸增大到12 mm 后縮孔徹底消除。原因?yàn)閁 型結(jié)構(gòu)精密鑄鐵件彎折處熱節(jié)較大，在自身膨脹量以外需要足夠的金屬液補(bǔ)縮。縮頸與要補(bǔ)縮部位關(guān)系可參考縮頸尺寸大于70%熱節(jié)圓直徑。