球鐵差速器頂冒口澆注工藝

楊春霞，高存貞，劉軍暉，孔勇勇

（一拖（洛陽(yáng)）鑄鍛公司，河南洛陽(yáng) 471004）

長(zhǎng)期以來(lái)，球墨鑄鐵件縮孔、縮松缺陷一直困擾著鑄造行業(yè)，為了解決縮孔、縮松缺陷，多采取增加冒口數(shù)量或增大冒口尺寸的工藝，導(dǎo)致大部分的球鐵件工藝出品率較低，尤其對(duì)某些熱節(jié)多且模數(shù)大的球鐵零件，出品率甚至低于50%，且廢品率居高不下，如球鐵差速器殼體類零件。近年來(lái)，一拖（洛陽(yáng)）鑄鍛有限公司球鐵產(chǎn)品占比達(dá)到產(chǎn)量的40%以上，其中差速器殼體類零件是主要的球鐵產(chǎn)品之一，鑄件質(zhì)量要求高，內(nèi)部不允許有縮松縮孔等鑄造缺陷。前期由于工藝設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致縮孔、縮松廢品率高達(dá)30%～40%。為了降低差速器殼體的廢品率和成本，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了工藝優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)驗(yàn)證，有效控制了鑄件縮孔及砂孔等鑄造缺陷。

1 原鑄造工藝及鑄造缺陷

我公司生產(chǎn)的差速器殼體材質(zhì)多為QT450-10 或QT600-3，產(chǎn)品最大外圓熱節(jié)集中在上下法蘭根部。前期根據(jù)該類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及性能要求，設(shè)計(jì)工藝時(shí)，分型面選取在法蘭位置，同時(shí)根據(jù)補(bǔ)縮工藝設(shè)計(jì)的不同而分別選擇法蘭面和法蘭背面，兩種工藝介紹如下。

1.1 分型面位于法蘭面

該工藝將分型面設(shè)計(jì)在法蘭面，將鑄件全部或大部分置于上箱，內(nèi)腔采用整體砂芯形成，砂芯一般設(shè)計(jì)為自硬砂或覆膜砂砂芯。在進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，通常做法是在法蘭位置設(shè)置側(cè)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，消除鑄件內(nèi)部縮松。側(cè)冒口一般設(shè)計(jì)的比較大，為提高工藝出品率，經(jīng)常采用共冒口方式，即設(shè)計(jì)兩件或多件共享一個(gè)冒口工藝，工藝分型面示意圖及型板如圖1 所示。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品工藝出品率高，砂芯設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確，下芯時(shí)不易磕碰砂胎，砂孔缺陷少；缺點(diǎn)是鑄件全部置于上箱，降低了冒口的補(bǔ)縮壓頭，冒口與產(chǎn)品熱節(jié)距離較遠(yuǎn)，冒口補(bǔ)縮效果對(duì)生產(chǎn)過(guò)程波動(dòng)敏感性高，質(zhì)量穩(wěn)定性差，及易出現(xiàn)批量廢品。

圖1 原鑄造工藝方案1

1.2 分型面位于法蘭面背面

該工藝將分型面設(shè)計(jì)在差速器法蘭面背面，鑄件全部或大部分置于下箱，為保證砂芯定位，砂芯多設(shè)計(jì)成組合砂芯；在進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，同樣是在法蘭位置設(shè)置側(cè)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，兩件或多件共享一個(gè)冒口，以提高工藝出品率。工藝分型面示意圖及型板如圖2 所示。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是鑄件全部置于下箱，冒口補(bǔ)縮效果相對(duì)較好；缺點(diǎn)是砂芯定位設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，采用組合砂芯，增加了工藝難度及操作風(fēng)險(xiǎn)，下芯時(shí)下箱型腔視線受遮擋，容易碰傷砂胎，鑄件砂孔及偏芯風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)冒口與產(chǎn)品熱節(jié)距離沒(méi)有改變，冒口補(bǔ)縮穩(wěn)定性差，極易出現(xiàn)批量廢品。

圖2 原工藝方案2

上述兩種工藝方案都采用側(cè)冒口補(bǔ)縮工藝，工藝上存在相同的問(wèn)題，即冒口與熱節(jié)的距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致冒口補(bǔ)縮效果都不理想。根據(jù)客戶加工情況反饋，差速器殼體法蘭面根部存在成片狀縮松，比率較高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該類產(chǎn)品的綜合廢品率最高達(dá)到40%，其中因法蘭根部出現(xiàn)縮松縮孔的廢品約占廢品比例的90%。差速器殼體法蘭根部的縮松缺陷如圖3 所示。

圖3 解剖后法蘭根部的縮孔缺陷

2 原工藝缺陷分析

為了有效解決鑄件內(nèi)部縮松，先后經(jīng)過(guò)多次工藝改進(jìn)，如增大澆冒口尺寸提高冒口的補(bǔ)縮能力、提高碳當(dāng)量促進(jìn)石墨化膨脹時(shí)的自補(bǔ)縮能力[1]等，但效果都不太明顯。經(jīng)過(guò)對(duì)改進(jìn)過(guò)程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)分析，認(rèn)為產(chǎn)生缺陷的主要原因?yàn)椋簼沧⑾到y(tǒng)冒口補(bǔ)縮能力不足。通過(guò)結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，出現(xiàn)縮孔縮松位置比較固定，該位置位于法蘭拐點(diǎn)，屬環(huán)狀熱節(jié)。原工藝設(shè)計(jì)側(cè)冒口布置在差速器法蘭外側(cè)，離熱節(jié)處太遠(yuǎn)，冒口補(bǔ)縮能力差，加之冒口徑同時(shí)又是內(nèi)澆口，極易在內(nèi)澆口對(duì)應(yīng)法蘭根部位置形成熱節(jié)，在鑄件上表現(xiàn)為長(zhǎng)環(huán)狀縮松。當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，就會(huì)形成縮孔。另外該部位砂芯厚大，芯頭處排氣困難，當(dāng)鐵液通道封閉后，由于鐵液的收縮形成負(fù)壓，砂芯發(fā)出的氣體突破鐵液表面張力進(jìn)入其中，造成該部位氣縮孔現(xiàn)象。

3 翻箱頂注工藝方案

根據(jù)差速器殼體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工藝分析，我們認(rèn)為要徹底解決差速器內(nèi)部縮松問(wèn)題，關(guān)鍵的突破點(diǎn)是想辦法提高冒口的補(bǔ)縮能力[2]。因此，經(jīng)過(guò)研討分析我們大膽的提出了翻箱頂注的方案，即：改變?cè)に嚲窒?，采用翻箱設(shè)計(jì)，將差速器大法蘭面朝上，分型面優(yōu)選在法蘭面背面，使鑄件絕大部分置于下箱，同時(shí)在法蘭面接近熱節(jié)位置設(shè)置頂冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。該工藝主要存在兩個(gè)難點(diǎn)：（1）頂注工藝澆注時(shí)，如何解決鐵液垂直充型時(shí)對(duì)砂胎及砂芯的沖擊造成的砂孔及表面缺陷。（2）砂芯小端朝下，如何設(shè)計(jì)芯頭保證定位準(zhǔn)確，防止偏芯；（3）如何避免人工下芯時(shí)芯頭掛砂造成的砂孔問(wèn)題。

通過(guò)多次研討，最終確定方案如下：（1）保持分型面不變，冒口置于法蘭頂面接近熱節(jié)位置，將其設(shè)計(jì)為頂部冷冒口，可以很好的避免頂澆時(shí)引起沖砂及表面缺陷；為保證冒口補(bǔ)縮效果，在冒口內(nèi)部放置一塊發(fā)熱塊；（2）取消側(cè)冒口，將內(nèi)澆口設(shè)置在蓋板芯上，保證內(nèi)澆口從法蘭側(cè)面引入，水平充型，頂冒口側(cè)澆工藝如圖4、5 所示；（3）為解決砂芯定位問(wèn)題，將差速器法蘭位置設(shè)計(jì)為全包芯，利用法蘭外側(cè)一圈芯頭支撐并增加防轉(zhuǎn)定位，保證砂芯定位，砂芯結(jié)構(gòu)如圖6 所示；（4）為消除人下芯造成的砂孔問(wèn)題，故增加制作一套專用的下芯胎具，將人工下芯改為機(jī)械下芯，提高下芯精度，消除下芯過(guò)程中掛砂引起的砂孔。

圖4 頂冒口側(cè)澆工藝示意圖

圖5 頂冒口

圖6 頂冒口砂芯

4 工藝優(yōu)化

改用頂冒口側(cè)澆工藝后，通過(guò)多次生產(chǎn)及解剖驗(yàn)證，徹底解決了差速器法蘭根部縮松問(wèn)題，產(chǎn)品得以順利投入大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)批量縮松現(xiàn)象，綜合廢品率小于2%。持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)到10 月初，差速器殼體內(nèi)部廢品陸續(xù)出現(xiàn)了冒口徑根部縮松缺陷，比例在8%左右，同時(shí)加工廠反饋差速器殼體加工后法蘭根再次出現(xiàn)縮松缺陷，比例約10%，缺陷形態(tài)如圖7、8 所示。

圖7 冒口根部縮孔

圖8 法蘭面加工后缺陷

經(jīng)過(guò)提高澆注溫度、提高碳當(dāng)量以及提高發(fā)熱塊的發(fā)熱率等多次工藝驗(yàn)證后，差速器的內(nèi)外部廢品比例均沒(méi)有明顯改善。通過(guò)工藝分析發(fā)現(xiàn)，頂冒口側(cè)澆工藝范圍較窄，在氣溫較高的春夏季節(jié)，冷冒口加發(fā)熱塊可以起到很好的補(bǔ)縮效果，但到了溫度較低的秋冬季節(jié)，由于整個(gè)環(huán)境系統(tǒng)溫度下降，導(dǎo)致冷冒口補(bǔ)縮效果下降。最終，我們采用取消差速器法蘭側(cè)面的內(nèi)澆口，將橫澆道爬到蓋板芯上，把冷冒口改為熱冒口的工藝方案，同時(shí)合理設(shè)計(jì)橫澆道截流面積，限制鐵液流速，降低頂注過(guò)程中鐵液對(duì)砂型及砂芯的沖擊，減少砂孔，保證鑄件表面質(zhì)量。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，優(yōu)化工藝后，徹底解決了冒口根部縮孔缺陷及法蘭內(nèi)部缺陷，差速器產(chǎn)品質(zhì)量恢復(fù)穩(wěn)定，綜合廢品率保持在3%，縮孔比例小于2%，取得了良好效果。

5 結(jié)論

（1）頂冒口對(duì)鑄件的補(bǔ)縮效果優(yōu)于側(cè)冒口。采用頂注澆注工藝可以很好的解決差速器類產(chǎn)品的內(nèi)部縮松缺陷，但需同時(shí)解決砂芯定位、鑄件表面質(zhì)量及鐵液垂直充型引起的砂孔缺陷等問(wèn)題。

（2）熱冒口的補(bǔ)縮效果優(yōu)于冷冒口。冷冒口工藝范圍窄，受環(huán)境溫度影響較大，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量反復(fù)；熱冒口受環(huán)境影響較小，產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定。

（3）采用頂澆熱冒口工藝時(shí)，需詳細(xì)計(jì)算橫澆道各處的截面積，適當(dāng)增加阻流設(shè)計(jì)，限制鐵液進(jìn)入冒口及充型時(shí)的流速，減少鐵液對(duì)砂芯及型腔的沖擊，降低砂孔缺陷。