雙相鋼泵殼鑄造工藝研發(fā)

錢寅通，鄭 宇，王哲夫，王占濤

（中國(guó)中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

1 產(chǎn)品介紹

泵殼是水泵的主要部件，多選用雙相鋼制造，不同等級(jí)的水泵，其泵殼結(jié)構(gòu)差異巨大，本文中以單吸泵泵殼為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)鑄造工藝，目前泵殼的主流鑄造工藝工藝出品率不足50%，雖有著不錯(cuò)的良品率，但過(guò)低的出品率嚴(yán)重拉高了制造成本，進(jìn)而使產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力受損，新的鑄造工藝旨在提高工藝出品率，幫助客戶獲得成本、利潤(rùn)優(yōu)勢(shì)。

2 產(chǎn)品工藝分析

2.1 缺陷分析

單吸泵泵殼屬箱體類鑄件，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，缺陷主要分為兩大類，分別為內(nèi)部收縮缺陷與夾雜缺陷。

圖1 單吸泵泵殼屬箱體類鑄件結(jié)構(gòu)

首先分析內(nèi)部收縮缺陷。本文的研究對(duì)象主要壁厚20mm，以筆者的經(jīng)驗(yàn)，30mm 以下的鑄鋼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，因此主要壁厚區(qū)域不需考量?jī)?nèi)部質(zhì)量問(wèn)題；在泵殼的中心，自下而上依次疊加了入口法蘭、密封環(huán)、連接法蘭三個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，三個(gè)區(qū)域之間為泵殼主要壁厚所分割，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)縮，形成一個(gè)復(fù)合型的熱結(jié)，以上三個(gè)區(qū)域與入口法蘭、地腳支架成為泵殼出現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題的集中位置。水泵的應(yīng)用場(chǎng)景決定了泵殼鑄件需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的密封性試驗(yàn)，而這些位置的缺陷往往會(huì)導(dǎo)致密封性試驗(yàn)失效，在實(shí)際生產(chǎn)中這構(gòu)成了泵殼報(bào)廢的主要原因。

夾雜是構(gòu)成鑄件報(bào)廢的另一主要原因。泵殼夾雜物主要為硅酸鹽類夾雜物，此類夾雜物尺寸比較大，外型不規(guī)則，主要是生產(chǎn)過(guò)程中耐火材料、結(jié)晶器卷渣、爐渣等進(jìn)入鋼液造成的[1]。

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雙相鋼具有鑄鋼共有特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、流動(dòng)性差、收縮大、易氧化、有夾雜物[2]，總體來(lái)說(shuō)屬于鑄造工藝性較差的材質(zhì)，對(duì)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有如下要求：

（1）宜采用低溫快澆的工藝方法。一方面較低的澆注溫度可以降低鑄件整體的收縮，對(duì)鑄件內(nèi)部質(zhì)量、裂紋傾向、縮尺控制都有助益；另一方面，較快的澆注速度可以有效的減少鋼水的溫度損失，減少接火、夾雜問(wèn)題出現(xiàn)的概率。

（2）澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)采取開(kāi)放式。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，鑄鋼產(chǎn)品不宜采取封閉式澆注系統(tǒng)，封閉式澆注系統(tǒng)配合漏包，過(guò)大的充型壓力會(huì)加大阻流截面芯部流速，但阻流截面型腔表面的流速反而降低，極易導(dǎo)致靠近阻流截面型腔表面的鋼水逐層凝固，最終堵塞澆注系統(tǒng)，因此對(duì)于鑄鋼件，尤其是雙相鋼這類流動(dòng)性較差的材質(zhì)，應(yīng)當(dāng)選用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)。

（3）分散進(jìn)水。泵殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸跨度較大，集中進(jìn)水容易導(dǎo)致內(nèi)水口區(qū)域過(guò)熱，裂紋傾向增大，而遠(yuǎn)端溫度損失過(guò)快，結(jié)火可能性升高，故宜分散進(jìn)水。

3 工藝工裝設(shè)計(jì)

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 為目前主流的泵殼鑄造工藝，水系統(tǒng)經(jīng)由分別位于地腳支架與出口法蘭的冒口，在分型面高度注入，該澆注系統(tǒng)存在如下缺陷：

圖2 原有澆注系統(tǒng)圖

（1）內(nèi)水口落差過(guò)大。鋼水由分型面跌落、飛濺，對(duì)型腔沖刷較為嚴(yán)重，易產(chǎn)生砂眼、結(jié)火、夾雜等問(wèn)題。

（2）進(jìn)水過(guò)于集中。僅有兩處點(diǎn)狀內(nèi)水口，容易過(guò)熱，增大裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

（3）鋼水在鑄件中端合流。鋼水長(zhǎng)途流動(dòng)后在底層合流，極易產(chǎn)生結(jié)火、卷氣問(wèn)題，尤其該位置還設(shè)有冷鐵。

重新設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)如下：

（1）開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，直水口采用陶管底返，利用橫水口為鋼水減速，內(nèi)水口設(shè)置在連接法蘭內(nèi)側(cè)，采取寬扁形式均衡溫度，如圖3 所示。

圖3 新澆注系統(tǒng)

（2）鑄件的最大輪廓尺寸：600mm×400mm×300mm，澆注鋼水量390kg，鑄件壁厚60mm。

（3）直澆道的有效高度H=100mm+300mm=380mm。

（4）澆注時(shí)間t=（4001/2+4001/3）s≈27.4s，澆注時(shí)間取28s。

（5）選擇澆注系統(tǒng)截面比A1∶A2∶A3=1∶1.1∶1.2。

（6）計(jì)算k1、k2

取v1=0.65，v2=0.65，v3=0.60。

v1為直澆道流速；v2為橫澆道流速；v3為內(nèi)澆道流速。

k1為直澆道與橫澆道壓力比；k2為橫澆道與內(nèi)澆道壓力比。

（7）計(jì)算平局壓頭hp

（8）計(jì)算內(nèi)澆道截面積

（9）計(jì)算直澆道橫澆道截面積

由于澆注系統(tǒng)直澆道面積：橫澆道面積：內(nèi)澆道面積為1∶1.1∶1.2，所以橫澆道面積為21.39cm2，直澆道面積為19.6cm2[3]，內(nèi)澆道取10mm×60mm（4道）；橫澆道取?200mm×10mm，直澆道取?50mm陶管。

3.2 模擬分析

將未添加冒口系統(tǒng)的鑄件導(dǎo)入MAGMA 中，分別采用連接法蘭在頂部和底部的澆注姿態(tài)進(jìn)行模擬，起始溫度為1580℃，調(diào)取缺陷預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖4、5 所示。

圖4 連接法蘭朝上

連接法蘭朝上是現(xiàn)在主流的工藝方法，在這個(gè)姿態(tài)下，連接法蘭可以通過(guò)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，在圖4 所示的出口交接區(qū)域，需要增加補(bǔ)貼以保證補(bǔ)縮效果；密封環(huán)區(qū)域由于其尷尬的尺寸，導(dǎo)致既無(wú)法實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，也無(wú)法對(duì)下方的入口法蘭進(jìn)行有效的補(bǔ)縮，需要在毛坯面上設(shè)置大量的補(bǔ)貼然后在其上安放冒口，配合入口法蘭上的冷鐵，才能有效解決密封環(huán)與入口法蘭的缺陷問(wèn)題；出口法蘭與地腳支架的問(wèn)題可以通過(guò)側(cè)冒口加以解決，最終的工藝方案如圖2 所示。

反觀連接法蘭朝下的方案，入口法蘭尺寸相對(duì)較大，可以充分補(bǔ)縮密封環(huán)區(qū)域；難點(diǎn)在于密封環(huán)區(qū)域無(wú)法補(bǔ)縮出口交接區(qū)域，導(dǎo)致出現(xiàn)了一處如圖5 所示的，聯(lián)通了密封環(huán)與連接法蘭的缺陷帶，且該缺陷帶緊鄰水利區(qū)，難以施加補(bǔ)縮手段，這一難題即為主流工藝產(chǎn)生的根源。

圖5 連接法蘭朝下

現(xiàn)有工藝方案下，缺陷分布較廣，需要大量的補(bǔ)貼與冒口施加補(bǔ)縮；連接法蘭朝下的方案缺陷集中，但補(bǔ)縮難度較大；要提高工藝出品率就必須采取新方案，設(shè)法解決圖5 中的缺陷帶。

3.3 補(bǔ)縮方案設(shè)計(jì)

（1）地腳支架與出口法蘭的缺陷靠近加工面，且加工面為規(guī)則的平面，通過(guò)設(shè)置側(cè)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，可以有效的解決缺陷問(wèn)題，在此不多做贅述。

（2）入口法蘭位于頂部，可以施加冒口補(bǔ)充收縮鋼水，亦質(zhì)量無(wú)憂。

（3）密封環(huán)區(qū)域除臨近出口連接部無(wú)缺陷，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，初步判斷可以通過(guò)控制連接部位的模數(shù)，使該區(qū)域模數(shù)接近主要壁厚模數(shù)，達(dá)到模數(shù)平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮。

（4）對(duì)于連接法蘭，連接部位則帶來(lái)了一定的好處，缺陷被集中于此處，反而有利于補(bǔ)縮，在該位置設(shè)置一個(gè)側(cè)冒口，保證冒口有足夠的壓頭即可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮目的。

最終的方案如圖6 所示，地腳支架與出口法蘭分別設(shè)置側(cè)冒口；入口法蘭頂部設(shè)置兩個(gè)補(bǔ)縮冒口；連接法蘭設(shè)置一個(gè)側(cè)冒口；連接部位兩側(cè)使用鉻鐵礦砂平衡模數(shù)。

圖6 最終方案

最終方案的模擬結(jié)果如圖7 所示，可見(jiàn)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)已無(wú)缺陷預(yù)判，方案具備驗(yàn)證條件。

圖7 最終方案模擬結(jié)果

4 驗(yàn)證生產(chǎn)

按照新工藝投產(chǎn)，首件鑄件經(jīng)目視檢查，表面無(wú)砂眼、夾雜、結(jié)火等缺陷；經(jīng)加工驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)外露缺陷；經(jīng)過(guò)1.5MPa,30min 的密封性試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，壓力值穩(wěn)定未下降。后續(xù)生產(chǎn)170件，未發(fā)生廢品，證明新工藝穩(wěn)定可靠。

5 總結(jié)

單級(jí)泵泵殼工藝開(kāi)發(fā)取得如下成果：

（1）工藝出品率大幅提高。原工藝的工藝出品率為47%，而新工藝則達(dá)到了68%，意味著單件物料成本降低44%。

（2）打磨及加工工時(shí)大幅下降。由于大量取消補(bǔ)貼，且冒口均選擇在加工面設(shè)置，冒口經(jīng)過(guò)氣刨切割后殘余極小，使得清理打磨工作量下降約60%，加工工時(shí)減少3h。

（3）證明了仿真技術(shù)在泵類鑄件領(lǐng)域的應(yīng)用前景。以往鑄造工藝設(shè)計(jì)往往依靠工藝技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)鑄件缺陷位置，設(shè)計(jì)水冒口及冷鐵，而這種經(jīng)驗(yàn)往往需要數(shù)年甚至數(shù)十年的積累，而且準(zhǔn)確性有限。依靠模擬技術(shù)，現(xiàn)在技術(shù)人員可以直觀的觀察鑄件充型及凝固過(guò)程，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)卷氣、夾渣、縮松、冷隔等缺陷，并預(yù)先采取措施加以避免，例如本文中通過(guò)鉻鐵礦砂平衡模數(shù)的設(shè)計(jì)，如果依靠試錯(cuò)法就很難找到臨界點(diǎn)，也就無(wú)法達(dá)成消除缺陷的目的。

（4）機(jī)械化制芯手段。公司以往缸蓋使用手工制芯，造型材料包括合脂砂及寶珠砂，合脂砂每天生產(chǎn)14 件缸蓋需2 套模具4 名工人，寶珠砂則需要4 套模具8 名工人，同時(shí)由于人工操作的隨意性及誤差，砂芯精度較低，氣孔、粘砂、斷芯缺陷時(shí)有發(fā)生，在機(jī)械化制芯條件下完成同樣產(chǎn)量只需2 名工人，同時(shí)砂芯質(zhì)量穩(wěn)定。

以上成果有效的降低了生產(chǎn)成本，摸索出了可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線，極大的增強(qiáng)了公司在泵類鑄件領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。