大型殼體類鑄件的地坑組芯造型工藝設(shè)計

寧顯潤，黃 鵬，魯晨光

（1.宜賓普什聯(lián)動科技股份有限公司，四川 宜賓 644007；2.四川省動力零部件制造工程技術(shù)研究中心，四川宜賓 644007）

我公司生產(chǎn)的殼體類鑄件，主要是用于輸送和提高氣體壓力的大型高效節(jié)能設(shè)備的風機上，由上、下兩半殼體組成，材質(zhì)為HT250，上、下殼體分體式鑄造，最大單件重量達40 t，最大鑄件輪廓尺寸為6 900 mm×3 780 mm×2 100 mm.鑄件中分面壁厚超過150 mm，殼體機身壁厚45 mm，下殼體鑄件兩個大圓法蘭壁厚為150 mm，總體壁厚差異較大，形狀結(jié)構(gòu)復雜，尺寸精度要求CT11 級，流道部位為CT10，且表面粗糙度為Ra50 μm，殼體兩端軸承箱須進行煤油試驗且保持12 h 不發(fā)生泄漏，4 個支撐臺及起吊裝備進行MT 探傷且不存在裂紋等缺陷。

1 產(chǎn)品工藝性分析

殼體類鑄件由多種系列型號組成，我司目前在產(chǎn)殼體類系列鑄件有AV56、AV63、AV71、AV80 等。本文以AV80 殼體鑄件為例加以介紹，該系列風機包括三化（系列化、標準化、通用化）機型在內(nèi)，最長機型與最短機型之間相差9 個級別，累計可達1 188 mm，每級間相差132 mm.因此，在模具設(shè)計時將上、下殼體各分為一套模型，并將最短機型作為基礎(chǔ)模，根據(jù)不同機型分別制作不同快換模來增加或減短殼體機身的長短。

由于鑄件壁厚較厚大，規(guī)范要求中，在殼體腰身中部放置“O”型試棒，鑄件生產(chǎn)過程及質(zhì)量控制應(yīng)符合JB/T6887-2004《風機用鑄鐵件技術(shù)條件》和技術(shù)協(xié)議。同時國內(nèi)使用鑄件要求采用振動時效，國外使用鑄件采用熱時效去除應(yīng)力。鑄件不允許存在裂紋、縮孔、夾砂、氣孔等缺陷。

2 鑄件工藝方案確定

2.1 整體工藝方案的確定

結(jié)合產(chǎn)品的特性和我司的實際情況，選擇上、下殼體分別地坑與組芯造型工藝。將上、下殼體的中分面作為分型面，鑄件流道風口朝上，這樣可保證鑄件重要面的內(nèi)部組織致密且內(nèi)腔砂芯也方便定位，使鑄件尺寸精度更加可靠安全。鑄件整體縮尺取0.8%，支撐臺部位取6.5%，加工余量取15 mm，砂芯間隙為2 mm[1].芯頭部位設(shè)計為150 mm 高，單獨制作出芯頭模樣（以下文中簡稱胎模），在紅外線水平儀的幫助下用呋喃樹脂砂將胎模制出，砂型固化后取出胎模并形成砂芯定位空腔，砂芯下入空腔后確保內(nèi)腔砂芯軸向水平。鑄件外型選擇進風口端的非加工面作為基準面，并以進、出口流道中心分隔為多個砂芯。砂芯在胎模上進行預(yù)裝配，調(diào)整砂芯滿足圖紙尺寸要求并劃上線方便后期下芯合箱。為了防止鑄件在澆注后膨脹發(fā)生尺寸變形、跑火等，四周設(shè)計圈箱將所有組好的砂芯進行套裝，填入樹脂砂進行固化，在砂芯上方使用壓鐵方式避免抬箱。

2.2 砂芯設(shè)計

考慮到鑄件高度過高，砂芯設(shè)計過大，易造成芯盒變形，使用的芯骨較多，有安全隱患等，因此從鑄件腰身部位進行分模，砂芯由二層組成。第一層砂芯以進風口導流器端面作為基準面并延伸到小端擴壓器端面作為基準砂芯，左右各1 個砂芯，兩端頭各布置2 個砂芯組成第一層外型形狀。第二層砂芯的劃分是以大、小風口圓法蘭中心為準，中間段由1 個大砂芯形成，確保了鑄件尺寸的準確性，兩端砂芯與第一層的劃分方式相同，分別由4 個砂芯圍成。

砂芯芯盒相對較大，采用雜木材料，并在芯盒裝配面上使用槽鋼加固，用螺桿進行多點定位或固定，螺桿布置間隔為800 mm～1 000 mm，并分布于芯盒的長度及高度方向。部分精度要求較高的內(nèi)腔芯采用配置底板的方式并裝配定位銷進行固定。芯盒根據(jù)最長型號制作進行，中間段根據(jù)不同產(chǎn)品型號加以調(diào)整，芯盒制作時在四個邊角制作檔塊，確保芯盒框的垂直度，誤差控制在0.3%以內(nèi)。

2.3 胎模設(shè)計

胎模的設(shè)計實際上就是芯頭的設(shè)計，與傳統(tǒng)的型板工藝不同，該組芯造型工藝是將芯頭單獨做出，形成一個獨立的芯頭胎模。操作時將胎模放置于預(yù)先準備好并經(jīng)過紅外水平儀測量過的砂型上，并使用刮砂造型的方式，隨胎模的外型將其刮出，等待固化后進行劃線確定下芯位置。

胎模的設(shè)計參數(shù)具體為，拔模斜度取負拔模10 mm，以最短殼體為基礎(chǔ)模，分段制作時每段長度為132 mm，間隙為2 mm，段與段之間設(shè)計定位塊，并在模具的中央劃出中心線，確保每次拼裝胎模模具時軸線方向是對齊的。另外，胎模進、出風口處按照風口中心尺寸劃出中心線，造型結(jié)束后，操作者將根據(jù)胎模上的各線段進行引伸劃線，確定下芯位置的正確性。

2.4 澆冒口設(shè)計

2.4.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

該鑄件毛重為40 t，澆注系統(tǒng)考慮底側(cè)注的方式進行設(shè)計，此類澆注系統(tǒng)鐵液充型平穩(wěn)，自上而下進行填充，并且有利于型內(nèi)排氣和氧化渣的上浮。對于大型鑄件有效澆注時間，劉文川等人指出對于采用拔塞式澆口并且引入了鑄件壁厚因素進行修正[2]，綜合考慮采用公式（1）進行計算鑄件的澆注時間為110 s～120 s，在此澆注時間根據(jù)不同鑄件型號有所不同。

其中：t—鑄件的有效澆注時間，s；f—材質(zhì)系數(shù)，本公式取1；G—鑄件重量（不含澆冒口），kg；δ—鑄件主要壁厚，mm；n—澆注系統(tǒng)的組數(shù)。

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點，將澆注系統(tǒng)設(shè)計為兩側(cè)引入式，澆注系統(tǒng)采用先封閉再開放的方式，一方面有效阻擋了一次渣進入型腔，另一方面使進入型腔的鐵液變得更加平穩(wěn)無大幅度的蕩漾。因此，基于有效澆注時間可確定該鑄造的最小截面積為127.32 cm2，將其分為4 個32 cm2的阻流截面。最終澆注系統(tǒng)的截面比為：∑F直∶∑F阻∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1.3∶1∶1.8∶2，其澆注系統(tǒng)的布置如圖1 所示。

圖1 澆注系統(tǒng)示意圖

2.4.2 補縮系統(tǒng)設(shè)計

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分析，由于2 個進出風口大法蘭位于鑄件的頂端，澆注后擔心鑄件會存在冷隔或者澆不足缺陷。分析法蘭其壁厚較厚達到155 mm，其體積與表面積之比達到了3.6 cm，由此決定設(shè)置冒口。根據(jù)冒口的補縮理論[3]，如果鑄型有較高強度時，該殼體類大型鑄件則采用補充鐵液的方式對鑄件進行補縮，主要通過冒口頸的調(diào)節(jié)作用，來滿足鑄件的前期補縮及后期膨脹的實際需要。由此，冒口的設(shè)計采用“鴨嘴”型冒口，其冒口頸尺寸為100 mm×60 mm×50 mm，冒口體為φ150×375，進風口法蘭布置8 個，出風口法蘭布置6 個。

冷鐵則采用外冷鐵的方式，中分面的垂直截面尺寸達165×150，也比較厚大，因此將冷鐵鋪滿整個中分面（如圖1 所示），冷鐵的厚度為80 mm，擺放間隔為30 mm.四個吊耳位置同樣安放隨形冷鐵保證其組織致密，無縮松、裂紋等缺陷，保證其吊裝安全。

2.5 熔煉澆注工藝設(shè)計

熔煉方面，利用車間現(xiàn)有的2 臺20 t 中頻爐進行熔化鐵液，爐料采用30%的廢鋼和70%的回爐料，利用增碳劑、75SiFe、65MnFe 對C、Si、Mn 量進行調(diào)整，控制后鐵液成分碳為3.2%～3.3%，硅為1.7%，錳為0.75%，出爐時加入孕育劑將終硅控制在1.85%±0.5%，最終的碳當量為3.8%～3.9%.

澆注方面，分別采用20 t、20 t、15 t 三個澆注包盛鐵水，對應(yīng)出鐵重量為15 t、15 t、12 t.鑄件頂部設(shè)置了一個拔塞座包，并在座包殼體的長度方向各設(shè)置了一個過橋澆注位置。先將12 t 鐵水倒入座包中測溫并達到1 320 ℃±10 ℃時進行拔堵澆注，其余兩包鐵水經(jīng)由過橋澆注。這樣的澆注方式可滿足車間實際的裝備狀況，另一方面也可保證在澆注過程中不會斷流，從而保證了鑄件的質(zhì)量。

3 生產(chǎn)過程質(zhì)量管控

3.1 制芯質(zhì)量

采用組芯造型后，內(nèi)腔砂芯及外皮芯均被單獨拆分開，內(nèi)腔芯為6 個砂芯，其余均為外皮砂芯。砂芯的重量為150 kg 到20 kg 不等。在生產(chǎn)過程中砂芯的芯骨、吊環(huán)的安放數(shù)量及位置以及砂芯的可使用時間都決定著砂芯的質(zhì)量與操作安全。為此經(jīng)過長期對大型砂芯的使用統(tǒng)計，現(xiàn)將砂芯在生產(chǎn)制作時的主要控制參數(shù)歸納為表1.

表1 砂芯制作控制表

另外，芯盒的維修保養(yǎng)也決定著砂芯質(zhì)量，因此每次在生產(chǎn)前必須對照圖紙進行確認芯盒與及各活塊位置及尺寸的準確性。木模工應(yīng)仔細對芯盒進行檢查，確認螺桿、起吊裝置、定位銷以及芯盒本體等齊全并完整，如有問題應(yīng)及時修復確保后續(xù)生產(chǎn)順利進行。將芯盒表面質(zhì)量歸入重點檢查事項，要求每次生產(chǎn)完后，對芯盒工作表面刷脫膜劑保證粗糙度，然后將芯盒按要求拼裝歸位。

3.2 組芯操作尺寸控制

砂芯在合箱前，對砂芯按照下芯順序進行分類編號，并在胎模上畫出中心線及下芯基準線作為下芯時起始尺寸，再以中心線為基準分別向兩側(cè)偏移2 m 劃出邊線作為下內(nèi)腔芯時的輔助測量線，其主要目的是為了確保所有內(nèi)腔砂芯在軸線方向上的同軸度不會發(fā)生偏移。其劃線型線圖如圖2 所示。

下外皮芯前應(yīng)進行預(yù)先下芯組配，并確定機殼長度尺寸、劃下芯線條、打磨多余砂芯邊緣等。按照圖2 型線圖中的②為基準，下入9#、10#外皮砂芯，兩芯的長度尺寸即代表了機殼的長度尺寸，緊貼著已下的9#、10#砂芯，在進、出口兩端下入11#、12#、13#、14#砂芯即完成了第一層砂芯的預(yù)配，如圖3所示。在下入第二層砂芯時，根據(jù)圖紙要求，以進風口9#、10#芯為基準向出風口方向偏移350 mm，并在兩芯上下入15#砂芯，砂芯靠外部兩邊緣分別對齊9#、10#砂芯的外邊緣，下16#、17#、18#、19# 砂芯時，只要區(qū)分開進、出口砂芯即可貼鄰15# 砂芯下芯完成第二層砂芯預(yù)配。預(yù)配過程中要注意的是，在每個砂芯三面上分別選擇一個點刷上涂料，并使用“L”尺在每個砂芯上進行劃線，確保后期正式下芯的準確性。最后將預(yù)配完的砂芯人工隨型圓滑打磨過渡，使鑄件澆注后不產(chǎn)生錯位或接觸不良。

圖2 型線圖

圖3 第一層下芯圖

4 結(jié)束語

1）針對大型殼體類風機鑄件，設(shè)計了雙側(cè)先封閉后開放澆注系統(tǒng)，以底側(cè)注的方式進行充型，流速平穩(wěn)不會產(chǎn)生紊流，鑄件頂部布置了“鴨嘴”型冒口，起到了溢流補縮的作用，厚大部位及中分面上設(shè)置冷鐵調(diào)節(jié)鑄件的凝固順序防止了鑄件產(chǎn)生縮松風險。

2）采用地坑組芯造型方式，生產(chǎn)大型殼體類鑄件。將鑄件按照結(jié)構(gòu)及定位基準，將其劃分為多個砂芯，并嚴格執(zhí)行制芯標準進行制芯。再對這些砂芯進行預(yù)組裝配，滿足圖紙尺寸的前提下，劃出下芯合箱線后拆開預(yù)組芯。最后下入內(nèi)腔砂芯后，再次按照預(yù)組芯時劃出的合箱線進行正式組芯。

3）通過組芯造型的方式生產(chǎn)此類大型殼體類鑄件，工藝出品率可達86%～90%，但砂鐵比稍有偏高達到4.5∶1.質(zhì)量方面，經(jīng)過近2 年的生產(chǎn)，該類殼體鑄件已經(jīng)生產(chǎn)了近100 余件，有少量夾砂缺陷發(fā)生，但經(jīng)過表面處理后均能滿足客戶需求，質(zhì)量比較穩(wěn)定，受到客戶的肯定。