有關特殊鑄造工藝筋設計與研究

付國家?賀帥

摘要：應用鑄造有關理論和系統知識生產鑄件的技術和方法，包括造型材料制備、造型、制芯、金屬熔煉、澆注和凝固控制等，鑄造是將通過熔煉的金屬液體澆注入鑄型內，經冷卻凝固獲得所需形狀和性能的零件的制作過程，鑄造是常用的制造方法。本文重點就特殊鑄造工藝筋設計做了研討和分析。

關鍵詞：特殊鑄造工藝；典型鑄件；特殊鑄造

隨著工業技術的發展，鑄大型鑄件的質量直接影響著產品的質量，因此，鑄造在機械制造業中占有重要的地位。鑄造技術的發展也很迅速，特別是19世紀末和20世紀上半葉，出現了很多的新的鑄造方法，如低壓鑄造、陶瓷鑄造、連續鑄造等，在20世紀下半葉得到完善和實用化。由于現今對鑄造質量、鑄造精度、鑄造成本和鑄造自動化等要求的提高，鑄造技術向著精密化、大型化、高質量、自動化和清潔化的方向發展，例如我國這幾年在精密鑄造技術、連續鑄造技術、特種鑄造技術、鑄造自動化和鑄造成型模擬技術等方面發展迅速。

一、特種鑄造工藝概述

特種鑄造工藝有離心鑄造，低壓鑄造，差壓鑄造，增壓鑄造，石膏型鑄造，陶瓷型鑄造等方式。壓力鑄造是指金屬液在其他外力（不含重力）的作用下注入鑄型的工藝。廣義的壓力鑄造包括壓鑄機的壓力鑄造和真空鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等；窄義的壓力鑄造專指壓鑄機的金屬型壓力鑄造，簡稱壓鑄。金屬型鑄造是用金屬（耐熱合金鋼，球墨鑄鐵，耐熱鑄鐵等）制作的鑄造用中空鑄型模具的現代工藝。金屬型既可采用重力鑄造，也可采用壓力鑄造。金屬型的鑄型模具能反復多次使用，每澆注一次金屬液，就獲得一次鑄件，壽命很長，生產效率很高。金屬型的鑄件不但尺寸精度好，表面光潔，而且在澆注相同金屬液的情況下，其鑄件強度要比砂型的更高，更不容易損壞。壓鑄是在壓鑄機上進行的金屬型壓力鑄造，是目前生產效率最高的鑄造工藝。壓鑄機分為熱室壓鑄機和冷室壓鑄機兩類。熱室壓鑄機自動化程度高，材料損耗少，生產效率比冷室壓鑄機更高，但受機件耐熱能力的制約，目前還只能用于鋅合金、鎂合金等低熔點材料的鑄件生產。當今廣泛使用的鋁合金壓鑄件，由于熔點較高，只能在冷室壓鑄機上生產。

二、特殊鑄造工藝筋的設計

（一）排渣鑄造工藝筋的設計

以不銹鋼閥體鑄造工藝為例，該鑄件重量約60kg，主要壁厚8mm左右。因其用于強腐蝕介質環境中，該閥體選用1Cr18Ni9Ti材質。在使用時要求該鑄件能承受2.5MPa以下的壓力而無滲漏，所以在制定鑄造工藝時必須考慮鑄件組織的致密性。考慮到不銹鋼的體收縮較大，雖然該鑄件壁厚不大。但必須有較好的補縮措施，以避免出現縮孔或縮松現象。為此，該鑄件采用橫做立澆的鑄造工藝。為了保證鑄件組織的致密性，除必要的冒口補縮外，還必須將鑄型中的雜物能有效去除，所以在鑄型的底部設置集雜包以保證鑄件鋼液的純潔。但在鑄件清理后發現在兩邊凸出的尺寸約為5mm的法蘭高點有少量的浮渣，嚴重影響鑄件的質量，雖然在鑄件焊補后可以使用，但這是明顯的鑄造缺陷。分析認為，出現浮渣的原因在于在法蘭鋼液熔渣不能有效漂浮到冒口中，若設置排渣通道則可解決該問題。在該工藝筋設置后的鑄件則有效解決了浮渣現象，保證了鑄件質量。

（二）防裂紋鑄造工藝筋的設計

以原剎車轉子精密鑄件為例，重量約43kg，材質20CrMnMo。該件上、中、下三層板由8處均布的寬度為6mm的筋板連接，并在中、下兩層板間再均布8處寬度為6mm的筋板。在鑄造過程中發現，該鑄件上、中、下三層的6mm連接筋板有輕微變形，特別是在滲碳淬火熱處理后，連接筋板的變形會進一步加大并導致鑄件報廢。分析認為，產生變形的主要原因在于該連接筋板剛度不足。為了解決剛度不足導致的筋板變形，將加大筋板厚度為8mm，并試生產，則筋板變形問題得以解決。但在生產中又發現新問題，在中、下兩層板連接筋板處出現8處熱裂紋。分析認為連接筋板加大為8mm后，與下層平板6mm厚度產生差別，且連接筋板在鑄件內部，冷卻速度低于下層筋板。下層筋板冷卻凝固后連接筋板對其產生拉應力。當拉應力大于其高溫強度時而產生熱裂紋8處連接部位均有裂紋，從裂紋斷口形態已經確定為熱裂。針對該問題，若在下層平板上加設工藝凸緣以增大其厚度，盡可能地使下層平板與連接筋板達到同時凝固，從而避免熱應力的產生。在增設工藝凸緣后，下層平板局部厚度達到9mm，與連接筋板厚度基本相當。從而實現連接筋板和下層平板達到同時凝固的目的，也就解決了裂紋的鑄造缺陷。

（三）補縮工藝筋的設計

以彈簧蓋精鑄件的鑄造工藝為例，該鑄件材ZG230-450，重量約為34Kg，筒形結構部分壁厚為10mm，在制定鑄造工藝時必須考慮冒口補縮。為此，在頂部設計一腰圓冒口，但在底部厚度26mm有4處局部熱節，因頂部冒口無法補縮，在鑄件鉆孔加工時出現縮松現象。解決的常用方法是應用冒口補縮法、冷鐵法、鑄件加補貼法等，但對本鑄件顯然不宜采用。因為是精密鑄造，冷鐵不能使用；采用冒口法，可用暗冒口解決。但因為是精密鑄造。給制造熔模和后續工序帶來很多不便，此法亦不宜采用。若用鑄件加補貼法，勢必增加鑄件壁厚并可能改變鑄件結構，給機械加工帶來諸多不便，所以采用鑄件加補貼法也不宜采用。根據鑄件補縮的基本原理，能在此處建立一個補縮通道使頂部的冒口有效補縮該部位，可基本解決縮孔或縮松問題。經過綜合考慮并計算設置4個直徑35mm的圓形補縮工藝筋。在補縮工藝筋設置后，基本消除了底腳的縮松現象，4個工藝筋在機械加工時予以切除。

三、結束語

對于特殊結構的某些鑄件，常規的鑄造工藝措施往往不能完全解決某些鑄造缺陷。基于鑄造工藝筋的應用研究表明，不同的鑄造工藝筋可簡化鑄造工藝，使得某些常規鑄造工藝不能解決的鑄造缺陷問題很容易得到解決。所以，對于某些典型結構鑄件，可以針對出現的缺陷采取針對性的工藝措施，而特殊工藝筋的使用對防止某些鑄造缺陷，提高鑄件質量有事半功倍的作用。

參考文獻：

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