大型空腔鑄件鑄造工藝研究

杜延強(qiáng) 張亞才 廖 瓊

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

許多大型鑄件都存在空腔結(jié)構(gòu)。如果空腔較大，在澆注過(guò)程中內(nèi)腔砂芯在鋼液中會(huì)受到很大的浮力，所需排出的氣體量也很大。因此在鑄造過(guò)程中如何防止大型鑄件內(nèi)腔砂芯漂芯，并保證其排氣順暢等工藝措施就顯得格外重要。本文以具有空腔結(jié)構(gòu)的下凸模鑄件為例，對(duì)相關(guān)工藝措施進(jìn)行分析。

1 鑄造工藝性分析

圖1為下凸模的三維立體圖。從圖中可以看出該鑄件內(nèi)部空腔較多。

在編制工藝過(guò)程中應(yīng)考慮以下問(wèn)題：

(1)鑄件基本尺寸較大(底面直徑為4 186 mm，總高度為3 019 mm，最大內(nèi)腔基本尺寸為?1 400 mm×2 560 mm)。除了底面為平面，側(cè)面、上面均為圓弧面，尺寸精度不易保證；

(2)內(nèi)部型腔較多，以致造型時(shí)內(nèi)腔砂芯數(shù)量較多，內(nèi)腔砂芯固定與排氣困難。澆注時(shí)內(nèi)腔砂芯受鋼液浮力作用易產(chǎn)生漂芯、嗆火等缺陷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鑄件報(bào)廢；

(3)鑄件在凝固收縮過(guò)程中受內(nèi)腔砂芯阻礙易產(chǎn)生裂紋。

采取有效措施解決上述問(wèn)題是獲得高質(zhì)量鑄件的關(guān)鍵。

2 技術(shù)要求

下凸模鑄件技術(shù)要求如下：

(1)鑄件材質(zhì)為ZG230-450；

(a)上部 (b)底部圖1 下凸模三維立體圖Figure 1 The three-dimensional construction of lower punch

(2)鑄件不得有砂眼、裂紋等缺陷；

(3)鋼液采用堿性電弧爐冶煉，然后進(jìn)行精煉。熔煉時(shí)嚴(yán)格控制鋼液的冶金質(zhì)量和殘余元素含量。

3 鑄造工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和質(zhì)量要求，采取下述工藝方法。

(1)澆注位置的選擇。由于鑄件造型時(shí)內(nèi)腔砂芯較多，為了方便砂芯固定，采用鑄件平面部位朝下、圓弧面部位朝上的澆注方式，將冒口設(shè)置在圓弧面上對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。

(2)造型方法。采用地坑組芯造型，主型做部分高度，形成鑄件基本輪廓，為砂芯組裝標(biāo)示出基準(zhǔn)，主型高度以上部分用砂芯和上箱組成。下凸模造型工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

(3)造型材料的選用。砂芯和砂型的面砂采用鉻鐵礦樹(shù)脂砂。背砂為石英樹(shù)脂砂。砂芯、鑄型表面刷鋯英粉涂料。

(4)砂芯的固定和排氣。

造型撞制時(shí)，在內(nèi)腔芯芯頭部位均放置空心尼龍繩，并在后序過(guò)程中分別將其引到排氣管內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)各芯的排氣。在內(nèi)腔芯下方放置鋼軌作為焊圓鋼拉桿的預(yù)埋焊接位置，為下芯時(shí)焊接圓鋼拉桿固定各砂芯作準(zhǔn)備。

打芯時(shí)，內(nèi)腔芯內(nèi)放周身鉆孔的鋼管，外纏草繩或空心尼龍繩，以便將鑄造過(guò)程中砂芯產(chǎn)生的氣體引到鋼管內(nèi)。打芯時(shí)放入干砂作為疏松層，保證砂芯在鑄件凝固收縮過(guò)程中具有一定的退讓性，防止鑄件產(chǎn)生裂紋。下內(nèi)腔砂芯前，將一定規(guī)格的圓鋼垂直地和預(yù)埋鋼軌焊牢引上來(lái)，分別從內(nèi)腔芯內(nèi)預(yù)埋的鋼管中穿過(guò)，在鋼管上部將伸進(jìn)來(lái)的圓鋼焊牢，防止內(nèi)腔砂芯漂起；并保證各芯下方與下箱內(nèi)的排氣管相通。

圓鋼的規(guī)格需要經(jīng)過(guò)計(jì)算確定。圖3為內(nèi)腔砂芯所受鋼液浮力體積示意圖。

通過(guò)UG三維建模軟件建?？梢詼y(cè)得：

V排1=1.97 m3；V排2=0.97 m3

式中，V排1、V排2分別為1#和2#砂芯在鋼液中所受浮力的體積。

根據(jù)阿基米德定律F浮=ρ鋼液·g·V排，其中F浮為砂芯所受的浮力，g=10 N/kg，ρ鋼液=7.3×103kg/m3。則：

1#砂芯所受的浮力F浮1=1.44×105N；

2#砂芯所受的浮力F浮2=7.08×104N。

砂芯所受浮力均由鋼管內(nèi)的圓鋼承受，若采用的圓鋼為35號(hào)鋼，經(jīng)查其屈服強(qiáng)度Re≥315 MPa，取Re=315 MPa。

則1#砂芯內(nèi)所需圓鋼截面積為S1=F浮1/Re=457 mm2，換算得直徑為D1=24.1 mm；2#砂芯內(nèi)所需圓鋼截面積為S2=F浮2/Re=225 mm2，換算得直徑為D2=17.0 mm。根據(jù)碳素鋼熱軋圓鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T 702—2004可分別選取直徑為25 mm和18 mm的圓鋼。

下外層芯時(shí)一定要定位準(zhǔn)確，用下芯檢查樣板檢查以保證壁厚的均勻。

圖2 下凸模造型工藝簡(jiǎn)圖Figure 2 The moulding sketch of lower punch

圖3 內(nèi)腔砂芯所受浮力體積示意圖Figure 3 Scheme of volume of lumen sand core which fall under buoyant force

(5)上箱撞置。上箱實(shí)樣用木型做出，上箱實(shí)樣從圓弧過(guò)渡處開(kāi)始，并將冒口臺(tái)和冒口實(shí)樣按工藝準(zhǔn)確放置。

(6)冒口設(shè)計(jì)。計(jì)算出鑄件熱節(jié)的模數(shù)，再通過(guò)熱節(jié)的模數(shù)算出所需冒口的模數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出冒口尺寸。

(7)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。選擇開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，有利于澆注平穩(wěn)進(jìn)行。內(nèi)澆道分兩層，每層8道，直徑為?80 mm。橫澆道為?80 mm，直澆道為?140 mm。包孔直徑為?90 mm，包孔數(shù)量4個(gè)。

(8)澆注過(guò)程控制。澆注時(shí)四孔齊開(kāi)，當(dāng)鋼水上升到鑄件最高點(diǎn)以上200 mm時(shí)各關(guān)閉一個(gè)包孔，直到澆注完畢。澆注后向冒口撒200 mm厚度以上的保溫劑。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)執(zhí)行上述工藝，很好地解決了大型空腔鑄件在鑄造過(guò)程中的漂芯、排氣等問(wèn)題，保證了鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量。