摘    要：介紹了HT300直列氣缸體立澆的工藝過(guò)程。采用適流澆注系統(tǒng)，通過(guò)控制內(nèi)澆口入口速度和橫澆道流速，計(jì)算澆道截面積，再結(jié)合鑄造仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬工藝設(shè)計(jì)可行性等措施提高產(chǎn)品工藝質(zhì)量。經(jīng)過(guò)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，鑄件廢品率控制在4.02%，滿足產(chǎn)品廢品率低于5%的要求。

關(guān)鍵詞：直列氣缸體;鑄造工藝;數(shù)值模擬;

1 技術(shù)要求

氣缸體毛坯外形如圖1所示,材料牌號(hào)選用HT300,化學(xué)成分如表1所示,鑄件基本壁厚為4.5 mm,質(zhì)量80 kg,最大輪廓尺寸為440 mm×465 mm×335 mm,力學(xué)性能要求抗拉強(qiáng)度≥260 MPa,金相組織珠光體含量大于97%,以A型石墨為主,不允許有C型石墨。要求鑄件水套、主油道、缸孔、螺紋孔以及需要密封的加工平面不允許有氣孔、裂紋、砂眼等缺陷。

圖1 毛坯三維圖 

2 工藝方案

現(xiàn)有生產(chǎn)工藝,制芯采用呋喃樹脂冷芯砂制芯生產(chǎn)線;造型采用HW潮膜砂靜壓造型生產(chǎn)線;中頻爐熔煉。

澆注采用底注式立澆工藝,一箱2件,如圖2所示。缸頂面朝上,機(jī)腳面朝下,全包砂芯結(jié)構(gòu)工藝。

圖2 鑄件的造型結(jié)構(gòu) 

砂芯如圖3所示,種類有缸頂面芯、水套芯、缸孔芯、端面芯、油氣室芯、側(cè)面芯。水套芯、油氣室芯選用鉻礦復(fù)合砂;缸頂面芯、缸孔芯、前后端面芯、左右側(cè)面芯選用普通硅砂。砂芯組整體打包后機(jī)器人整體自動(dòng)下芯。砂芯使用水基涂料。

表1 鑄件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖3 砂芯模型簡(jiǎn)圖 

1-缸頂面芯,2-水套芯,3-缸孔芯、前后端面芯,4-左油氣室芯,5-左側(cè)面芯,6-右油氣室芯,7-右側(cè)面芯

3 工藝參數(shù)

鑄件的加工余量為3～4 mm。工藝補(bǔ)正包括螺孔凸臺(tái)、油道壁厚、基本壁厚、涂料、拋丸補(bǔ)正,工藝補(bǔ)正量全部在工藝三維模型設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)完成,不允許在模具加工環(huán)節(jié)通過(guò)調(diào)整刀具加工保證,具體工藝補(bǔ)正量見表2。

鑄造收縮率根據(jù)相似機(jī)型的劃線結(jié)果及加工后的成品毛坯凸臺(tái)偏差情況進(jìn)行計(jì)算確定,寬和高方向?yàn)?.8%,長(zhǎng)方向?yàn)?%(缸孔芯曲軸箱段0.5%)。

表2 工藝補(bǔ)正量數(shù)據(jù)表(單位:mm)

澆注系統(tǒng)按適流澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則,鑄鐵材質(zhì)內(nèi)澆口入口線速度理論值為0.45 m/s[1],根據(jù)立澆的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,設(shè)計(jì)3個(gè)關(guān)鍵工藝平均速度值為:內(nèi)澆口入口線速度為0.48 m/s,鑄型液面上升速度為0.025 9 m/s,橫澆道流速為0.6 m/s。充型時(shí)間為13 s,根據(jù)鑄造仿真結(jié)果修正確定澆注系統(tǒng)的截面積與結(jié)構(gòu),澆注系統(tǒng)參數(shù)如表3所示,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 澆注系統(tǒng)參數(shù)

圖4 澆注系統(tǒng)示意圖 

為保證砂芯排氣通道,水套和油氣室部位由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊,產(chǎn)品要求該部位具有高的密封性。為了滿足產(chǎn)品需求,需要預(yù)防水套和油氣室部位粘砂、氣孔的產(chǎn)生,需對(duì)水套芯、油氣室芯芯頭設(shè)置排氣通道,通過(guò)工藝孔芯頭把砂芯氣引起至型腔,再?gòu)男颓灰錾跋涿?如圖5、圖6所示。

圖5 水套芯排氣通道示意圖 

圖6 油氣室芯排氣通道示意圖 

為有效控制毛坯尺寸,需要合理選擇組芯、下芯間隙,具體如表4所示;設(shè)計(jì)組芯間隙時(shí)須從長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向設(shè)計(jì)定位面定位砂芯,避免過(guò)定位和定位不準(zhǔn)確;檢具應(yīng)保證分別檢測(cè)單個(gè)砂芯、芯組、下芯尺寸,確保每個(gè)狀態(tài)的尺寸受控;制定砂芯在儲(chǔ)存和輸送過(guò)程相應(yīng)的流轉(zhuǎn)要求,必要時(shí)設(shè)計(jì)一些定位面,預(yù)防砂芯、芯組的變形。

  表4 組芯間隙

4 鑄造仿真計(jì)算

根據(jù)以上工藝方案及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)三維工藝模型,進(jìn)行鑄造仿真計(jì)算,對(duì)澆注系統(tǒng)的擋渣能力、溫度場(chǎng)變化、縮松風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估,對(duì)工藝模型進(jìn)行修正。具體如下:

(1)澆注系統(tǒng)的擋渣能力如圖7所示,澆注系統(tǒng)的擋渣能力一般,從粒子的行程和分布看主要集中在下橫澆道附近,部分粒子早期隨第一股鐵液進(jìn)入鑄型后通過(guò)溢流系統(tǒng)引出鑄件外。受生產(chǎn)條件制約,澆注系統(tǒng)的擋渣能力無(wú)法再提升。

圖7 澆注系統(tǒng)擋渣能力模擬效果圖 

(2)澆注完成瞬間的溫度場(chǎng)分布如圖8所示,經(jīng)3次工藝調(diào)整后,在低溫區(qū)增加了溢流措施,預(yù)防低溫區(qū)鐵液不流動(dòng)易形成夾雜、氣孔風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 澆注完成瞬間溫度場(chǎng)分布圖 

(3)縮松風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估如圖9、圖10所示,分別為鑄件的熱節(jié)及孔隙率位置分布情況。鑄件熱節(jié)主要分布在端面水泵與水道連接處的厚大位置和側(cè)面主油道厚大位置。鑄件縮松風(fēng)險(xiǎn)位置與鑄件熱節(jié)位置一致,最大的縮松孔隙率為4.45%,根據(jù)按現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)孔隙率小于10%時(shí)可不用采取措施。

圖9 鑄件熱節(jié)位置分布圖 

圖1 0 孔隙率分布圖 

5 生產(chǎn)驗(yàn)證

從2019年3月份批量生產(chǎn)至2021年8月份共完成28 254件毛坯生產(chǎn),各種缺陷類型及廢品率如表5所示。總廢品率為4.02%,該工藝生產(chǎn)的鑄件毛坯可以滿足小于5%的廢品率要求。

  表5 鑄件批量廢品率

6 結(jié)論

該立澆工藝有效控制了臥澆工藝難以解決的鑄造缺陷問(wèn)題。通過(guò)適流澆注系統(tǒng)新理念和鑄造仿真計(jì)算的應(yīng)用,提高了鑄造工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量。盡管本工藝開發(fā)取得預(yù)想的效果,但是仍存在以下問(wèn)題需要不斷完善。

(1)受生產(chǎn)條件限制,澆注系統(tǒng)的橫澆道無(wú)法設(shè)計(jì)為低流速結(jié)構(gòu),鐵液流速快,擋渣效果差是砂眼和氣孔缺陷較高的原因之一。

(2)全包砂芯工藝存在澆注過(guò)程中因打包帶失效導(dǎo)致砂芯組漲大,從而引起砂芯組之間的配合間隙變大漏鐵液的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 李新亞.鑄造手冊(cè)鑄造工藝.第3版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:866-868.

文章來(lái)源：鑄造工程