泵用壓蓋類鑄鋼件的工藝研發(fā)

李朝東，宋 亮，常永慧，田學(xué)智，王曉毅，程永剛，王鵬東

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心（安徽）有限公司，安徽蕪湖 241200）

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求

壓蓋在泵中起著密封和固定的作用，對(duì)泵的正常使用和運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。圖1 所示為泵用壓蓋產(chǎn)品，重量約為15.5kg，材質(zhì)為ZG230-450，具體鑄件結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，化學(xué)成分見表2，力學(xué)性能見表3。鑄件最大壁厚28mm，最小壁厚僅為6mm，要求鑄件不得有縮孔、縮松和裂紋等缺陷。

表1 鑄件基本參數(shù)

表2 鑄件化學(xué)成分要求 w/%

表3 鑄件室溫力學(xué)性能要求

圖1 泵用壓蓋產(chǎn)品模型

此鑄件重量較小，整體結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單，但是該鑄件存在很多的散熱筋板，厚度僅為6mm，最短的為35mm,最長的達(dá)到170mm，高度為25mm。通過對(duì)該鑄件結(jié)構(gòu)的分析，有如下兩點(diǎn)鑄造難點(diǎn)：

（1）鑄件筋板厚度小，易充型不良。在砂型鑄造中，碳鋼件尺寸在200mm～400mm 之間時(shí)，鑄件的最小壁厚不應(yīng)小于9mm[1]。而此鑄件的壁厚僅為6mm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了砂型鑄造生產(chǎn)的極限，所以筋板的成型將是該鑄件的重難點(diǎn)。

（2）某企業(yè)生產(chǎn)鑄鋼件所使用的澆包為1.5t鋼包，但此產(chǎn)品重量僅為12.5kg,由于鑄件質(zhì)量較小，使用較大鋼包進(jìn)行澆注時(shí)，鑄件的澆注溫度、澆注時(shí)間及澆注過程等均不能很好地保證，為此對(duì)鑄件薄壁部分的成型是非常不利的。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 澆注位置選擇

考慮該產(chǎn)品筋板不易成型，鑄件重量小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)還結(jié)合3D 打印砂型技術(shù)無需考慮模具制作、分型靈活等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，選擇了一型多件且鑄件豎直澆注的工藝方案，如圖2 所示，為泵用壓蓋產(chǎn)品澆注位置。此澆注位置的選擇有如下優(yōu)勢(shì)：

圖2 澆注位置

（1）豎直澆注時(shí)金屬液上升液面截面積小，等高面溫度差小，不易產(chǎn)生冷隔、氣孔等缺陷。

（2）鑄件豎直放置有利于補(bǔ)縮冒口的設(shè)置和鑄件的整體補(bǔ)縮，同時(shí)有利于后序清理。

（3）采用一型多件，可增加單箱澆注重量，減少澆注箱數(shù)，保證澆注溫度可控，確保鑄件質(zhì)量的同時(shí)也提升生產(chǎn)效率。

2.2 冒口、冷鐵設(shè)計(jì)

對(duì)于鑄鋼件來說，為保證冒口能夠?qū)﹁T件起到有效地補(bǔ)縮作用，必須要保證冒口的凝固時(shí)間要比鑄件的凝固時(shí)間長，冒口所能提供的補(bǔ)縮液量應(yīng)不小于被補(bǔ)縮區(qū)域鑄件的液態(tài)收縮、凝固收縮和型腔擴(kuò)大量之和。為此，在公司鑄鋼件產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要求：M冒≥1.2M鑄件，冒口的補(bǔ)縮液量大于鑄件被補(bǔ)縮部分重量與暗冒口重量的1/3，且在保證能夠提供足夠金屬液的同時(shí)還要確保在整個(gè)凝固過程中冒口和鑄件之間的補(bǔ)縮通道的暢通。

通過對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)、澆注位置及產(chǎn)品厚大位置熱節(jié)的分布情況和結(jié)合CAE 模擬軟件，分析鑄件熱節(jié)位置分布情況，確定使用1 個(gè)頂冒口，再通過鑄件模數(shù)確定了冒口大小，同時(shí)通過冷鐵和補(bǔ)貼的配合使用，保證鑄件無縮孔、縮松缺陷，確保內(nèi)部質(zhì)量。如圖3 所示，為泵用壓蓋產(chǎn)品的冒口冷鐵設(shè)計(jì)。

圖3 冒口冷鐵設(shè)計(jì)

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因鑄件結(jié)構(gòu)較小，鑄件壁厚相對(duì)均勻，故澆注系統(tǒng)采用中注開放式澆注系統(tǒng)。此種澆注系統(tǒng)兼有頂注和底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，在保證金屬液上下型溫差不大的情況下充型過程平穩(wěn)，同時(shí)避免了金屬液直沖砂芯造成夾砂缺陷。

2.4 CAE 模擬

圖4 澆注系統(tǒng)圖

CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程分析）模擬可以增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期；采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，降低材料的消耗或成本等優(yōu)點(diǎn)[2]。如表4，為產(chǎn)品模擬參數(shù)表。

表4 產(chǎn)品模擬參數(shù)表

結(jié)合CAE 模擬軟件對(duì)產(chǎn)品鑄造工藝進(jìn)行模擬分析，通過模擬結(jié)果判斷鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松傾向，并對(duì)鑄造工藝冒口、冷鐵和補(bǔ)貼等進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量。通過優(yōu)化調(diào)整，最終CAE 模擬結(jié)果顯示：產(chǎn)品和冒口模數(shù)符合順序凝固要求，冒口最后凝固，產(chǎn)品無縮松傾向。如圖5所示，為孔隙率、熱節(jié)圖。

圖5 孔隙率、熱節(jié)圖

同時(shí)對(duì)產(chǎn)品澆注系統(tǒng)是否設(shè)計(jì)合理，對(duì)金屬液在鑄型中是否平穩(wěn)上升，是否有紊流、飛濺和卷氣等過程進(jìn)行充型模擬，經(jīng)過模擬結(jié)果顯示：產(chǎn)品澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合滿足要求，符合澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，金屬液充型過程平穩(wěn)無飛濺。

2.5 3D 打印砂型設(shè)計(jì)

此產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)使用3D 打印砂型進(jìn)行生產(chǎn)，因此在砂型工藝設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了3D 打印技術(shù)不用考慮模具制作、起模，可以將型、芯結(jié)合，極大減少砂芯數(shù)量，避免組芯合箱時(shí)導(dǎo)致的偏差，尺寸精度高，加工余量小等的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，將整個(gè)鑄件生產(chǎn)所需要的砂型拆分為2 塊砂型，同時(shí)將鑄件難度大的筋板全部放置在一個(gè)砂型內(nèi)部，避免豎直澆注時(shí)從中間位置分型導(dǎo)致鑄件筋板產(chǎn)生披縫的問題，提高鑄件外觀質(zhì)量的同時(shí)也減少了后序清理工作量，從質(zhì)量和成本方面有了很大地改善和提升。如圖6 所示，為產(chǎn)品的3D 打印砂型圖。

圖6 砂型圖

2.6 熔煉澆注

熔煉使用中頻感應(yīng)電爐加吹氬除氣的方式，出鋼時(shí)，使用鋁粒脫氧。因產(chǎn)品厚度較小，因此要保證鋼水溫度，出鋼前對(duì)鋼包進(jìn)行烘烤，保證鋼包溫度≥800℃，出鋼溫度控制在1650～1670℃，出鋼、扒渣完成測(cè)溫到1585～1595℃時(shí)可以進(jìn)行澆注。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

如圖7 所示為去除冒口后的鑄件和交付前的鑄件圖，此鑄件只進(jìn)行了拋丸處理，從外觀看通過工藝改進(jìn)和3D 砂型技術(shù)的應(yīng)用，鑄件散熱筋板成型良好，筋板一次成型無任何披縫，壁厚均勻，無缺肉問題，同時(shí)鑄件整體尺寸控制好，分型面披縫小，極大地減小了后期清理工作量。

圖7 生產(chǎn)鑄件圖

經(jīng)檢驗(yàn)，鑄件內(nèi)部質(zhì)量滿足客戶無損檢測(cè)要求，化學(xué)成分、機(jī)械性能均達(dá)到顧客規(guī)范要求。后序清理時(shí)鑄件披縫少，產(chǎn)品內(nèi)部無縮孔、縮松，機(jī)械性能優(yōu)良，產(chǎn)品經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證合格。

4 結(jié)語

通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析和CAE 仿真軟件的輔助模擬，同時(shí)充分利用3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，選擇合理的產(chǎn)品澆注位置、分型面、砂型分型方法和澆注溫度等，使得產(chǎn)品的筋板及重要結(jié)構(gòu)均在同一砂型中，生產(chǎn)過程操作簡單，尺寸穩(wěn)定，外觀質(zhì)量有很好的保證。經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，此產(chǎn)品一次生產(chǎn)合格，各方面均滿足顧客要求，產(chǎn)品表面披縫小，筋板成型極好，無冷隔、缺肉等缺陷，同時(shí)也很好地保證了鑄件外觀質(zhì)量，減少了清理工作量，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本，使鑄件質(zhì)量得到很大地提升。