葉 根

（金堆城鉬業(yè)集團有限公司機電修配廠，陜西渭南 714102）

耐磨鑄球是機電修配廠兩大支柱產(chǎn)品之一，年銷售量5500噸，占全年加工部分總產(chǎn)值的53%，其關(guān)乎著全廠的經(jīng)濟效益。目前，機修廠?120鑄球采用一模四球金屬模鑄造生產(chǎn)工藝，工藝出品率大約為80%。在耐磨鑄球鑄造生產(chǎn)工藝中，澆道的空間位置設(shè)置、尺寸等澆鑄系統(tǒng)參數(shù)對鑄球的工藝出品率、質(zhì)量性能等影響很大。由于鑄造過程的特殊性，鑄件質(zhì)量不能被直觀的觀察到，只能在后期才能得到確認，故采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的?120鑄球澆鑄系統(tǒng)安全系數(shù)大，但工藝出品率偏低。因此，本文將采用基于Visual C++開發(fā)工具開發(fā)的鑄件凝固過程溫度場模擬軟件，用該軟件模擬球墨鑄鐵鑄球凝固過程的溫度[1，2]，依據(jù)模擬結(jié)果改進了鑄造工藝方案，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，成功的提高了耐磨鑄球的工藝出品率。

1 耐磨鑄球原鑄造工藝分析

1.1 原鑄造工藝

耐磨鑄球原鑄造工藝示意圖如圖1所示。采用一型鑄多件、中間加砂套保溫澆道的方案。用砂套保溫澆道可明顯提高澆道與鑄球凝固時間之比，有利于澆道內(nèi)金屬液向鑄球的補縮，提高鑄球的致密程度，降低鑄造鑄球在球磨機中運行時的破碎率，還可提高金屬型的壽命[3]。圖1中，T1和T3是分別位于鑄件和鑄型內(nèi)，對應(yīng)于測溫實驗中T1和T3的兩個測溫位置。

圖1 鑄造工藝示意圖

整個鑄造系統(tǒng)包括鑄件、鑄型和砂套。其中澆注溫度為1350℃，室溫和鑄型的溫度均為20℃。鑄件、鑄型和砂套的三維造型以及它們的裝配體如圖 2、3、4 和 5所示。

圖2 鑄件三維模型圖

圖3 鑄型三維模型圖

圖4 砂套三維圖

圖5 鑄造系統(tǒng)裝配體

鑄件材料為球墨鑄鐵（C：3.5%～3.8%；Si：2.8%～3.2%；Mn：2.1%～2.4%），鑄型材料為蠕墨鑄鐵（C：3.4%～3.8%；Si：1.8%～2.4%；Mn：0.3%～0.6%）。

1.2 原鑄造工藝模擬分析

運用軟件對鑄件凝固過程的溫度場進行了計算，最后使用后處理模塊對計算的溫度場結(jié)果進行顯示[4]。選取了鑄件在凝固 240s、780s、840s和 900s時的溫度場，如圖6所示。

鑄件材料為球墨鑄鐵，液相線溫度為1150℃，固相線溫度為1090℃，澆注溫度為1350℃左右。金屬液澆入鑄型，鑄型對金屬液有激冷作用，因此剛開始時鑄件表面溫度比較低，內(nèi)部溫度場還比較均勻，如圖6a所示。

隨著鑄件的凝固，液態(tài)金屬的熱量不斷向外傳遞，鑄型被加熱，鑄件表面的溫度回升，當鑄件凝固至780s時，溫度場的分布層次明顯，外層溫度最低，由外向內(nèi)逐漸升高，澆道中心溫度最高，鑄件外壁以及澆道頂部已經(jīng)凝固，其余部分溫度還處于液相線以上，這是因為，澆道頂端裸露在空氣中，并未受到砂套的包裹，因此頂端的金屬冷卻的相對較快，此時澆道其余部分溫度還處在液相線溫度以上，并且高于鑄球溫度，因此并不影響澆道內(nèi)金屬液的補縮，如圖6b所示。

到840s時，整個鑄件溫度大幅降低，只有澆道中心部位少量的金屬溫度還處在固相線溫度之上，整個鑄件已經(jīng)完全凝固，可見澆道中的液體成功地起到了補縮的作用[5]，如圖6c所示。

到900s時，整個澆注系統(tǒng)完全凝固，此時澆道中金屬溫度明顯高于其他部位金屬溫度，如圖6d所示。

圖6 凝固不同時刻鑄件的溫度場

由此可見，由于砂套的保溫作用，澆道中的金屬液凝固的比較晚，此時其周圍部分均已凝固完畢，澆道內(nèi)的金屬液體起到了補縮作用。綜上所述，通過模擬鑄球凝固的溫度場，發(fā)現(xiàn)縮孔縮松缺陷出現(xiàn)在澆道中，鑄球內(nèi)部并不會出現(xiàn)縮孔缺陷，而在實際的生產(chǎn)中，澆注缺陷也確實位于澆道內(nèi)。

2 改進工藝模擬分析

2.1 工藝優(yōu)化分析

基于對原鑄造工藝分析以及實際生產(chǎn)情況可知，現(xiàn)有的鑄造工藝能夠確保鑄球的質(zhì)量。為了提高鑄球的工藝出品率，在保證現(xiàn)有鑄球質(zhì)量的情況下進行優(yōu)化設(shè)計。鑄球本身的尺寸不能改變的情況下要提高它的工藝出品率，就要改變鑄造系統(tǒng)直澆道和模芯的設(shè)計。

優(yōu)化方案主要是對模芯以及直澆道的參數(shù)做調(diào)整，使得模芯和直澆道所占整個澆鑄系統(tǒng)的體積進一步減小，從而達到增大鑄球工藝出品率的要求。沒有改變內(nèi)澆口的大小，是為了確保在鑄球凝固過程中澆道內(nèi)的金屬液能夠提供足夠補縮的情況下，進一步降低模芯的高度，使得方案最優(yōu)化。此外，將直澆道設(shè)計成了圓臺體，主要是以為：

（1）在能確保澆鑄流量以及補縮量的情況下，如果圓柱體的直徑和圓臺體的底面直徑相同，那么圓臺體的體積更小，從而能夠提高出品率。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)對比

（2）在澆鑄金屬液的過程中，當金屬液忽然開始直接沖刷圓柱狀直澆道內(nèi)壁靠下部分的時候，如圖7a所示，金屬液經(jīng)由路徑a1直接沖刷到P1點，由于金屬液的沖擊力大，可能會造成砂套塌落，影響成型后鑄球的形狀和質(zhì)量，當圓柱狀直澆道的直徑越大，直澆道的高度越低的時候，這種情況越容易發(fā)生。而當直澆道設(shè)計為相同直徑（如圖7中 d1=d2）的圓臺體的時候，如圖 7（b）所示金屬液以同樣的角度澆注下來的時候，金屬液會經(jīng)由路徑a2沖擊到P2點，然后轉(zhuǎn)變角度再經(jīng)過b2路徑注入型腔內(nèi)，這樣就降低，甚至避免了圓柱體澆道底部被沖塌的可能性。

圖7 金屬液沖擊直澆道示意圖

綜合上述兩個觀點來看，將直澆道設(shè)計為圓臺狀更符合實際情況。

2.2 工藝優(yōu)化參數(shù)分析

優(yōu)化后工藝的模芯和直澆道的參數(shù)如圖8和圖9所示。

鑄球具體部位參數(shù)的變化以及方案前后鑄球出品率的變化如表1所示。

由表1可知，優(yōu)化后工藝提高了約2.8%的鑄球工藝出品率。

2.3 工藝優(yōu)化后模擬分析

圖8 模芯的三維變化

圖9 圓臺狀直澆道

優(yōu)化工藝后的凝固溫度場和原溫度場的凝固趨勢基本一致。剛澆注完畢時，鑄件內(nèi)部溫度場幾乎均勻分布，隨著凝固時間的逐漸增加，溫度場內(nèi)層次感明顯，依次出現(xiàn)不同的等溫帶，到凝固后期時，鑄件絕大部分凝固完畢，溫度由外向內(nèi)逐漸升高，澆道中心溫度最高，最后的縮孔依然出現(xiàn)在澆道內(nèi)部[6,7]。

雖然優(yōu)化后工藝和原工藝的凝固趨勢基本一致，但是它們的溫度場還是存在一定的差異。為了對比這種差異，取了900s時原工藝與優(yōu)化后工藝的溫度場（如圖10所示）。

圖10 原工藝與優(yōu)化后工藝900s溫度場

由圖10可以看出，在凝固到900s時，優(yōu)化后工藝和原工藝相比，溫度場內(nèi)高溫區(qū)的分布范圍更廣。這是因為，優(yōu)化后工藝中的模芯比原工藝的模芯更小，這間接致使優(yōu)化后工藝中的砂套比原工藝的砂套更厚，所以保溫效果更加明顯，整體來說，優(yōu)化后工藝的凝固比原工藝要慢。

3 結(jié)論

（1）對?120球墨鑄鐵耐磨鑄球的凝固工藝進行了溫度場的數(shù)值模擬，對原工藝縮孔、縮松缺陷成因進行了分析。

（2）結(jié)合溫度場的模擬結(jié)果與生產(chǎn)實際，對原有的澆鑄工藝進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后工藝的模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)結(jié)果吻合。優(yōu)化工藝后鑄球出品率提高了2.8%。