大型空腔鑄件鑄造工藝研究

杜延強 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構。如果空腔較大，在澆注過程中內腔砂芯在鋼液中會受到很大的浮力，所需排出的氣體量也很大。因此在鑄造過程中如何防止大型鑄件內腔砂芯漂芯，并保證其排氣順暢等工藝措施就顯得格外重要。本文以具有空腔結構的下凸模鑄件為例，對相關工藝措施進行分析。

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部空腔較多。

在編制工藝過程中應考慮以下問題：

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

(2)內部型腔較多，以致造型時內腔砂芯數量較多，內腔砂芯固定與排氣困難。澆注時內腔砂芯受鋼液浮力作用易產生漂芯、嗆火等缺陷，嚴重時導致鑄件報廢；

(3)鑄件在凝固收縮過程中受內腔砂芯阻礙易產生裂紋。

采取有效措施解決上述問題是獲得高質量鑄件的關鍵。

2 技術要求

下凸模鑄件技術要求如下：

(1)鑄件材質為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，然后進行精煉。熔煉時嚴格控制鋼液的冶金質量和殘余元素含量。

3 鑄造工藝設計

針對鑄件的結構特點和質量要求，采取下述工藝方法。

(1)澆注位置的選擇。由于鑄件造型時內腔砂芯較多，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，將冒口設置在圓弧面上對鑄件進行補縮。

(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，為砂芯組裝標示出基準，主型高度以上部分用砂芯和上箱組成。下凸模造型工藝簡圖見圖2。

(3)造型材料的選用。砂芯和砂型的面砂采用鉻鐵礦樹脂砂。背砂為石英樹脂砂。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，在內腔芯芯頭部位均放置空心尼龍繩，并在后序過程中分別將其引到排氣管內，以實現各芯的排氣。在內腔芯下方放置鋼軌作為焊圓鋼拉桿的預埋焊接位置，為下芯時焊接圓鋼拉桿固定各砂芯作準備。

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

圓鋼的規格需要經過計算確定。圖3為內腔砂芯所受鋼液浮力體積示意圖。

通過UG三維建模軟件建?？梢詼y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的圓鋼承受，若采用的圓鋼為35號鋼，經查其屈服強度Re≥315 MPa，取Re=315 MPa。

則1#砂芯內所需圓鋼截面積為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。根據碳素鋼熱軋圓鋼標準GB/T 702—2004可分別選取直徑為25 mm和18 mm的圓鋼。

下外層芯時一定要定位準確，用下芯檢查樣板檢查以保證壁厚的均勻。

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

圖3 內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。上箱實樣用木型做出，上箱實樣從圓弧過渡處開始，并將冒口臺和冒口實樣按工藝準確放置。

(6)冒口設計。計算出鑄件熱節的模數，再通過熱節的模數算出所需冒口的模數，進而計算出冒口尺寸。

(7)澆注系統設計。選擇開放式澆注系統，有利于澆注平穩進行。內澆道分兩層，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，包孔數量4個。

(8)澆注過程控制。澆注時四孔齊開，當鋼水上升到鑄件最高點以上200 mm時各關閉一個包孔，直到澆注完畢。澆注后向冒口撒200 mm厚度以上的保溫劑。

4 結束語

通過執行上述工藝，很好地解決了大型空腔鑄件在鑄造過程中的漂芯、排氣等問題，保證了鑄件產品的質量。