對均衡凝固理論短薄寬冒口頸設計的合理性驗證

張 華，李 日，吳騰飛，梁子尚，陳登寧

（1.河北工業大學，天津 300130；2.保定寧信新型材料有限公司，河北保定 072350）

1 問題的提出

由均衡凝固理論[1]可知，鑄鐵件冒口頸設計中要求采用短薄寬冒口頸，筆者在設計過程中發現采用該方法設計的冒口頸真正模數有時小于其理論模數，以本文中試樣1 為例，試樣為中等壁厚均勻密實體鑄件，結構和尺寸分別如圖1.a、表1 所示。

表1 試樣結構尺寸

圖1 試樣結構圖

根據均衡凝固理論對試樣1 進行計算，得到冒口頸模數MN1=0.2 cm，參照短薄寬冒口頸設計方法有：

e1=(2～2.5)MN1=(4～5)mm，取e1=4 mm；

W1≥5e1=20 mm，取W1=20 mm；

L1<3e1=12 mm，取L1=7.5 mm。

式中,e為冒口頸厚度（mm）；W為冒口頸寬度（mm）；L為冒口頸長度（mm）。

由此得到如圖2 所示冒口頸結構圖。根據該冒口頸結構，再次計算冒口頸模數為：

圖2 試樣1冒口頸

兩冒口頸模數差：

相同情況出現在了試樣2 冒口頸設計中，試樣2 為中等壁厚均勻稀疏體鑄件，結構和尺寸分別如圖1b、表1 所示，其質量周界商（Qm）大于試樣1，但其冒口頸計算情況卻與試樣1 相同。因為模數對冒口設計很重要，而理論冒口頸模數與實際冒口頸模數之間存在一定差值，該情況是否會導致冒口頸設計錯誤，均衡凝固理論短薄寬冒口頸是否合理需要進一步驗證，并與其他形狀的冒口頸進行對比。

2 實驗設計

2.1 不同冒口頸設計

基于以上思考，在保證冒口頸模數相等的情況下對兩個試樣分別設計圓柱體、長方體、正方體冒口頸，采用一箱四件，垂直分型澆注，與短薄寬冒口頸進行對比。由于兩試樣冒口頸模數相同MN1=MN2=0.2 cm，所以由此得到相同尺寸的冒口頸，最終得到表2 中所示各冒口頸尺寸。根據均衡凝固理論設計冒口體，每一組實驗應用四個相同鑄件并采用相同尺寸冒口體，控制實驗變量為冒口頸形狀，最終用UG 造型得到如圖3 所示實驗工藝結構圖。

表2 各冒口頸尺寸

圖3 不同冒口頸驗證工藝圖

2.2 工藝模擬結果

應用ProCAST 軟件對實驗工藝進行模擬，參數設置見表3。

表3 工藝模擬參數設置

模擬完成后鑄件縮松、縮孔缺陷分別如圖4.a、b 所示，分別統計兩個試樣四個鑄件內部縮松體積于表4，為了清晰顯示鑄件內部質量情況將數據繪制成柱狀圖如圖5 所示。

表4 模擬鑄件縮松體積 (cm3）

圖4 實驗工藝模擬結果

圖5 模擬中縮松體積

由模擬結果可知，鑄件內部沒有集中縮孔缺陷，但鑄件均有縮松缺陷，兩試樣中均是短薄寬冒口頸補縮效果優于其他形狀冒口頸，由此可見從模擬結果來看均衡凝固理論主張的短薄寬冒口頸設計合理。考慮到模擬軟件與實際生產條件的差異性，決定實際澆注，將實驗結果與模擬結果進行對比，看是否一致。

2.3 實際澆注實驗

根據垂直分型的特點，實驗采取水平造型垂直澆注的方法進行。普通砂型鑄造，一箱四件，造好的型腔如圖6.a、b 所示。為了避免在垂直澆注時鐵液沿分型面溢出，在上下箱造好后對下箱每一處型腔都均勻涂抹封泥條，然后用定位銷和緊固螺栓對準合箱。

為了保證實驗的準確性，結合現場條件，對每一個試樣都造型三箱，如圖7 所示。澆注時為了減少鐵液溫度和冶金質量對鑄件質量的影響，用同一包鐵液進行澆注，澆注的鑄件如圖8 所示。

圖6 實驗造型圖（上、下箱）

圖7 實驗全部砂箱

圖8 實驗所有鑄件

清理后得到如圖9.a、b 所示鑄件。圖9.a 為試樣1 的鑄件，圖9.b 為試樣2 的鑄件，由圖可以看到鑄件冒口頸處斷面形狀分別為圓形、正方形、短薄寬和長方形。觀察發現，每一個鑄件都在背部大平面中心處存在明顯縮凹（如圖10 所示），只是不同冒口頸的鑄件縮凹程度不同。采用在鑄件縮凹處打蠟的方法準確測定縮凹的體積。

圖9 實際澆注鑄件

圖10 鑄件背部大平面處縮凹缺陷

2.4 鑄件縮凹體積測定

縮凹測定方法為：①將鑄件與冒口分離，用砂輪打磨鑄件殘留冒口頸和周圍毛刺；②稱量鑄件質量m0；③融蠟，并滴于鑄件縮凹處；④待蠟凝固后，用工具打磨掉高于鑄件平面的蠟，使蠟將縮凹剛好填滿；⑤稱量打蠟后的鑄件質量m1；⑥求打蠟前后鑄件質量差△m=m0－m1，并利用公式V=△m/ρ求出蠟燭體積，即為鑄件縮凹體積。得到各個鑄件縮凹值如表5 所示。

表5 不同冒口頸鑄件縮凹體積統計表 （mm3）

2.5 結果分析

為清晰顯示出各個冒口頸鑄件的縮凹體積情況，將表4 的數據以折線圖顯示，結果分別如圖11.a、b 所示。

結合表4 中數據和圖11 中縮凹體積變化情況可知：①對于試樣1，圓柱體、長方體和正方體冒口頸鑄件的縮凹值三箱均有較大波動，而短薄寬冒口頸的鑄件則顯示基本穩定。所以試樣1 中雖然短薄寬冒口頸的鑄件縮凹體積值不是所有鑄件中最小的，但考慮到其變化的平穩性，可以基本判定短薄寬冒口頸對于均勻密實體鑄件設計合理。②對于試樣2，前兩箱鑄件體現規律明顯，其中短薄寬冒口頸鑄件縮凹體積值最小，即短薄寬冒口頸補縮效果最好。而在第三箱鑄件中，長方體冒口頸和正方體冒口頸鑄件縮凹值出現了較大幅度變化，分析可能由于現場操作等因素導致，所以該兩點不具有代表性，應予以刪除，綜合比較下，對于試樣2 均勻稀疏體而言短薄寬冒口頸設計合理，補縮效果優于其他形狀冒口頸。

圖11 不同冒口頸鑄件縮凹體積折線圖

此外，對兩個試樣不同冒口頸鑄件的縮凹體積平均值進行匯總，為了保證數據的可靠性，在進行平均值計算時將試樣2 第三箱長方體冒口頸和正方體冒口頸鑄件縮凹體積數據刪除，最終得到如圖12 所示的柱狀圖。由圖可以清晰看出無論是試樣1 均衡密實體鑄件還是試樣2 均勻稀疏體鑄件，均為短薄寬冒口頸鑄件的縮凹體積值最小，即短薄寬冒口頸補縮效果最好。由此，更進一步說明均衡凝固理論中短薄寬冒口頸設計合理。

圖12 不同冒口頸鑄件縮凹體積平均值

3 結論

由以上分析可知，不論是均勻密實體還是均勻稀疏體鑄鐵件，在進行冒口頸設計時都應采用均衡凝固理論短薄寬設計原則，相比于相同模數下的圓柱體、長方體和正方體冒口頸，短薄寬冒口頸體現出了較明顯的補縮優勢，更能夠保證鑄件質量穩定性。總而言之，均衡凝固理論短薄寬冒口頸設計原則合理有效。

[1]魏兵,袁森,張衛華.鑄件均衡凝固技術極其應用[M].北京:機械工業出版社.1998:31-74.

[2]王文清,李魁盛.鑄造工藝學[M].北京:機械工業出版社.2012:278-281.

[3]中國機械工程學會鑄造專業學會.鑄造分冊：第五卷鑄造工藝[M].北京:機械工業出版社.2003:281-394.

[4]曾學斌.鑄鐵均衡凝固理論及其應用[J].中國鑄造裝備與技術,1997(1):49-52.

[5]穆成雙.均衡凝固及低合金化提高燒結機臺車體質量[J].中國鑄造裝備與技術,2008(1):26-27.