均衡凝固理論在薄餅類鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用探討

曹忠海

（江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校周莊校區(qū)，江蘇江陰 214423）

1 背景

在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中傳統(tǒng)的工藝一般依據(jù)順序凝固和同時(shí)凝固理論來(lái)設(shè)計(jì)的。在鑄鐵件的生產(chǎn)實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)采用上述兩理論，有時(shí)難以達(dá)到理想的效果。對(duì)此西安理工大學(xué)魏兵教授提出了均衡凝固理論，該理論一經(jīng)提出，就在鑄鐵件鑄造生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了較為滿意的鑄造效果。該理論的精髓是有限補(bǔ)縮的概念，認(rèn)為任何一個(gè)鑄鐵件在凝固的某一時(shí)刻，有些部分正在收縮，有些部分已進(jìn)入石墨化膨脹，時(shí)間是同時(shí)的，鐵液是相通的；這時(shí)，脹縮就可以相抵，鑄件表現(xiàn)出來(lái)的收縮值，實(shí)際上是脹縮相抵的凈結(jié)果，其原理見(jiàn)圖1。

A 點(diǎn)為型腔充填開(kāi)始；B 點(diǎn)為型腔充填完畢；C 點(diǎn)為鑄件凝固結(jié)束時(shí)刻；D 點(diǎn)為石墨化膨脹速率最大值；曲邊三角形ABC 為鑄件的總收縮；曲邊三角形ADC 為鑄件的石墨化膨脹；曲邊三角形AB'P 為鑄件脹縮相抵的凈收縮，稱為鑄件的表現(xiàn)收縮；P 點(diǎn)為均衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間是鑄件收縮量等于膨脹量的時(shí)間，此時(shí)表現(xiàn)收縮為零，即為冒口補(bǔ)縮終止時(shí)間。

圖1 鑄鐵件收縮與膨脹疊加

從圖1 中可以看出，對(duì)于鑄鐵件，冒口只需在AP 時(shí)段內(nèi)對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，而傳統(tǒng)理論認(rèn)為必須在AC 時(shí)段內(nèi)都要對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，故均衡凝固理論要求的冒口補(bǔ)縮時(shí)間大大縮短。

2 薄餅類鑄鐵件的均衡凝固工藝

2.1 工藝特點(diǎn)分析

薄餅類鑄鐵件（指直徑? 與厚度δ 之比大于5的鑄件），雖然形狀簡(jiǎn)單，但由于上平面大，在鑄造生產(chǎn)中很難進(jìn)行補(bǔ)縮，常常出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷。以生產(chǎn)的尺寸為（?425×35）mm，重量為35.5kg 的薄鐵餅工件為例,一開(kāi)始采用傳統(tǒng)工藝（工藝簡(jiǎn)圖參見(jiàn)圖2）鑄造，在冒口根部出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，鑄鐵合格率只能達(dá)到70%左右。依據(jù)均衡凝固理論有限補(bǔ)縮的原理，采用由直澆道、橫澆道、壓邊冒口一壓兩件的改進(jìn)工藝進(jìn)行鑄造，工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖2 傳統(tǒng)工藝

圖3 均衡凝固工藝

2.2 具體工藝參數(shù)的確定

本工藝需要確定的關(guān)鍵工藝參數(shù)有：壓邊冒口的尺寸、壓邊縫隙的寬度、直澆道的截面尺寸、橫澆道的截面尺寸。

2.2.1 壓邊冒口尺寸

（1）計(jì)算鑄件模數(shù)Mc

（2）計(jì)算冒口模數(shù)MR

MR=1.08Mc=1.08×1.5=1.62（cm）

由此選定A-7 冒口，具體尺寸為：a=100mm,b=100mm,h=100mm,實(shí)際生產(chǎn)中為了造型的方便，冒口本體采用了?100 的圓柱體，GR=5.6kg。

2.2.2 選取直澆道截面尺寸

G澆道取鑄件重量的15%。

此時(shí)查資料得直澆道的直徑為28mm，截面積（A直）為6.1cm2。

2.2.3 選取橫澆道截面尺寸

A橫=0.8A直=6.1×0.8=4.9（cm2）

橫澆道具體尺寸為28 mm×36mm,高15mm。

另外，根據(jù)有關(guān)資料壓邊縫隙e=5mm。

2.2.4 計(jì)算工藝出品率

根據(jù)圖2 和圖3 所示的工藝路線，鑄件的尺寸為?=90mm，h′=100mm。計(jì)算時(shí)結(jié)合鐵餅鑄件的比重進(jìn)行質(zhì)量換算，對(duì)傳統(tǒng)工藝和均衡凝固工藝的出品率進(jìn)行比較。

采用圖3 得出均衡凝固工藝的出品率η：

η=Gc/∑G總=35.3×2/81.5×100%=86.7%

通過(guò)對(duì)單個(gè)鑄件的質(zhì)量計(jì)算，再計(jì)算工藝出品率，得到圖2 所示傳統(tǒng)工藝的出品率η′：

比較出品率：

按上述的均衡凝固工藝生產(chǎn)了一批?425mm、厚度35mm 的鐵餅，機(jī)加工后的合格率達(dá)到98%。

3 結(jié)束語(yǔ)

在薄餅類鑄鐵件的鑄造工藝設(shè)計(jì)中，采用均衡凝固理論，可以解決采用傳統(tǒng)鑄造工藝中冒口根部出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷的問(wèn)題，大大提高了鑄件的合格率；同時(shí)可以提高鑄件的工藝出品率和鐵水利用率。