提升箱體鑄造工藝設(shè)計(jì)及鑄造過程數(shù)值模擬

劉致遠(yuǎn)，張亮亮

（蘭州城市學(xué)院 培黎機(jī)械工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

1 零件結(jié)構(gòu)分析

提升箱體主要用于石油鉆采設(shè)備中，材質(zhì)為ZG25CrNiMo，外形尺寸1040 mm×776 mm×933 mm，凈重1058 kg，屬于易損件。提升箱體三維圖如圖1 所示，主要形狀特征為回轉(zhuǎn)體，大部分箱壁厚度為45 mm，局部最厚處165 mm（不包括外壁凸臺(tái)），最薄處30 mm。該零件結(jié)構(gòu)壁厚不均勻，局部位置存在較大熱節(jié)，在鋼液凝固時(shí)勢(shì)必產(chǎn)生縮孔疏松缺陷。因此設(shè)計(jì)鑄造工藝時(shí)，在這些厚大熱節(jié)部位必須設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。

圖1 提升箱體三維圖

2 工藝方案制定

2.1 方案一：水平造型、立澆工藝

此方案將模型分為上下兩半，如圖2 所示，模型制作相對(duì)簡(jiǎn)單，也便于造型和下芯操作。水平造型、下芯后，將鑄型豎立起來進(jìn)行澆注。如前分析，該件結(jié)構(gòu)薄厚不均，厚大部位存在較大熱節(jié)，必須通過設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。為保證鑄件組織致密，冒口必須放置在鑄件左端或右端，進(jìn)行補(bǔ)縮，在相應(yīng)的另一端進(jìn)行澆注，如圖3 所示。

圖2 提升箱體水平分型

圖3 水平造型、立澆工藝示意圖

采用這種方案造型時(shí)，不管冒口和澆道設(shè)置在哪一端，冒口的擺放都特別困難，也很難實(shí)現(xiàn)精確定位，不便于工人操作，因此不宜采用。

2.2 方案二：立坐立澆

立坐立澆有兩種方案，如圖4 所示，即大面朝上（圖左）和大面朝下（圖右）。從金屬凝固原理可知，鑄件從最容易散熱的薄壁處開始凝固，厚大熱節(jié)處最后凝固。

圖4 立坐立澆工藝（圖左：大面朝上；圖右：大面朝下）

2.2.1 方案二A：立坐立澆——大面朝上

這種方案需要“上、中、下”三開箱造型，如圖5 所示。為保證冒口對(duì)鑄件整體進(jìn)行有效補(bǔ)縮，尤其是厚大熱節(jié)部位，初步確定冒口尺寸規(guī)格為?300 mm×500 mm，數(shù)量為4 個(gè)，均勻分布于上端面，如圖5 所示。選用華中科技大學(xué)研發(fā)的HZCAE11.0 軟件進(jìn)行鑄造過程數(shù)值模擬，通過鋼液瞬間充型、不考慮流動(dòng)的純溫場(chǎng)進(jìn)行凝固模擬，結(jié)果如圖6 所示。

圖5 立坐立澆、大面朝上分型圖

圖6 立坐立澆、大面朝上的純溫場(chǎng)模擬結(jié)果

通過上圖模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼液凝固到572 s時(shí)，提升箱體鑄件的中下部存在兩處明顯的孤立區(qū)，冒口對(duì)此兩處起不到顯著的補(bǔ)縮作用。當(dāng)凝固到3552.41 s 時(shí)，提升箱體的上半部分已完全凝固，冒口中的鋼液仍較充裕，但在下部熱節(jié)處形成了顯著的集中縮孔，這樣勢(shì)必影響提升箱體的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。因此，這種方案不宜采用。

2.2.2 方案二B：立坐立澆——大面朝下

這種工藝方案厚大熱節(jié)的部位放置在最上面（如圖7 所示），這樣鑄件下部薄壁部位最先凝固，上部熱節(jié)可通過冒口實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，實(shí)現(xiàn)了順序凝固，最終得到致密的組織。

圖7 立坐立澆、大面朝下分型圖

通過上述對(duì)比分析，最終確定大面朝下、小面朝上的立坐立澆工藝方案。

3 模型及砂芯設(shè)計(jì)

3.1 外模

外模如圖8，對(duì)應(yīng)的砂型分“上、中、下”三部分，上部為冒口箱，中箱為模型主體，下箱為芯子定位和澆道入口。模型從中間斷開，分別向上、向下從中箱中取出。

圖8 模型外模

外模有三處需要單獨(dú)處理。一處是模型頂部端面和凸臺(tái)上表面之間需要做一個(gè)活動(dòng)墊板，如圖9 所示。造中箱時(shí)，墊板和外模合在一起。造上箱時(shí)，將墊板去掉，型造好后此處的型砂連在上箱上。

圖9 鑄件上端面與凸臺(tái)上表面之間的活動(dòng)墊板

“260 mm×210 mm”凸臺(tái)模型做活塊，如圖10 所示。主體模型向下取出后，活塊從型腔中向里取出。

圖10 “260 mm×210 mm”凸臺(tái)模型做活塊

另兩處是帶方法蘭的凸起部分。外模向下取模時(shí)此兩處必須做成“燕尾槽”活塊，并且“燕尾”朝上，斜度5°，活塊最薄處厚度取20 mm，如圖11 所示。外模取出后，這兩個(gè)活塊沿徑向朝里取出，并保留方孔內(nèi)型砂。此處方孔型砂與主體1#芯子方孔型砂對(duì)齊，形成凸臺(tái)方孔完整形狀。

圖11 外模上兩處凸臺(tái)方法蘭燕尾槽活塊

3.2 砂芯

3.2.1 主體芯子

主體芯子如圖12 所示，芯頭高80 mm，斜度5°。由于芯子外側(cè)有凸臺(tái)位置要求，因此此芯頭有一個(gè)臺(tái)階定位，玄高40 mm，厚40 mm。凸臺(tái)內(nèi)孔在芯子上做出，下芯后與砂型外壁相接。尤其注意凸臺(tái)方法蘭芯頭與活塊形成的砂型要對(duì)齊。

圖12 主體芯子

3.2.2 提環(huán)軸孔芯子

提環(huán)軸孔芯子如圖13 所示。此芯子一件兩個(gè)，只做一個(gè)芯盒。芯頭高40 mm，斜度5°。

圖13 提環(huán)軸孔芯子

3.2.3 吊耳芯子

吊耳芯子如圖14 所示。此芯子一件兩個(gè)，只做一個(gè)芯盒，砂芯各側(cè)壁最薄處厚度30 mm。外模在此芯與箱體錐面交界處斷開，如圖8 所示，便于起模。

圖14 吊耳芯子

4 冒口設(shè)計(jì)

冒口位置是否正確直接影響冒口的補(bǔ)縮效率和鑄件質(zhì)量，應(yīng)按鑄件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)劃分出幾個(gè)需要補(bǔ)縮的部分，再確定每個(gè)部位冒口的尺寸和數(shù)量。冒口要設(shè)置在鑄件最高或最后凝固的部分，必要時(shí)應(yīng)采取變更內(nèi)澆口位置、加補(bǔ)貼、使用冷鐵或特種砂等激冷措施，形成向冒口的順序凝固。

確定冒口尺寸的方法有模數(shù)法、三次方程法、補(bǔ)縮液量法、比例法、形狀因素法、熱節(jié)圓法及縮管法等。該件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很難用一種方法進(jìn)行冒口尺寸的確定。本方案采用模數(shù)法和計(jì)算凝固模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行確定。

在鑄件頂部設(shè)置1 個(gè)腰形明冒口“240 mm×360 mm×400 mm”，2 個(gè)圓柱形明冒口“?240 mm×400 mm”，進(jìn)行“充型+凝固”的耦合模擬，結(jié)果如圖15 所示。

圖15 “充型+凝固”耦合模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果可見，最終的縮孔形成于鑄件上部、冒口根部，但在鑄件中部?jī)杀诮唤犹帯⒌撞刻岘h(huán)軸孔與內(nèi)側(cè)壁的交接處仍存在疏松，但已不能通過增大冒口尺寸進(jìn)行消除。造型生產(chǎn)時(shí)在提環(huán)軸孔與內(nèi)壁交界處設(shè)置外冷鐵，型砂采用蓄熱系數(shù)比硅砂大的特種砂，通過激冷作用控制鑄件的順序凝固、增加冒口的補(bǔ)縮距離，在鑄件表面形成一層致密的組織。最終設(shè)計(jì)的鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口及外冷鐵如圖16 所示。

圖16 鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口及外冷鐵

該工藝條件下的工藝出品率為：鑄件重量/（鑄件重量+冒口重量+澆注系統(tǒng)重量）×100%=1186.4/1720×100%≈69%

5 結(jié)論

（1）選擇“提環(huán)軸孔所在大面朝下、吊耳及厚大側(cè)壁小端面朝上”的立作立澆工藝方案。上、中、下三開箱造型，分別設(shè)置冒口、模型主體、芯頭及澆道。木制模型，其中外模1 件（中間部分?jǐn)嚅_）、芯盒3 件、活塊墊板1 塊、活塊1 處、燕尾槽活塊2 處。

（2）冒口采用模數(shù)法設(shè)計(jì)，配合HZCAE11.0軟件分別進(jìn)行純溫場(chǎng)和充型傳熱耦合條件下的凝固模擬，確定出1 個(gè)腰形明冒口和2 個(gè)圓柱形明冒口在厚壁端面進(jìn)行補(bǔ)縮。兩種冒口的規(guī)格尺寸分別為“240 mm×360 mm×400 mm”和“?240 mm×400 mm”。經(jīng)多次模擬結(jié)果顯示，厚大熱節(jié)部位的縮孔基本消除，鑄件中部?jī)杀诮唤犹帯⒌撞刻岘h(huán)軸孔與內(nèi)側(cè)壁的交接處仍存在疏松，但已不能通過冒口補(bǔ)縮進(jìn)行消除。為消除上述缺陷，在底部設(shè)置了外冷鐵，以實(shí)現(xiàn)更好的順序凝固和補(bǔ)縮。