不同類型結構熔模鑄件澆注系統的應用

李路娜，錢俊康

(1. 南京機電職業技術學院，江蘇 南京 211135; 2. 鷹普(中國)有限公司，江蘇 無錫 214191)

0 引言

熔模鑄件的類型可以分為套筒類、板類、圓環類、輪盤類以及殼體類等。針對不同類型的澆注系統，在生產過程中往往憑借經驗來設計，缺乏設計的規范性。本文歸納總結了上述不同類型澆注系統設計時需要注意的事項，并且舉例說明。同時提出針對熔模鑄造雙金屬鑄件所采用的澆注系統，擴大了鑄件材料的選擇范圍及鑄件的應用領域。

1 套筒類熔模鑄件澆注系統

套筒類鑄件主要包括管類、軸套和襯套等。薄壁管類鑄件要避免圓口變形，軸套類零件禁止出現夾渣及氣孔缺陷。針對此類零件的特點，歸納出澆注系統設計時的參考標準，如表1所示。

為了使氣孔及夾渣缺陷出現在加工面上而避免出現在非加工面上，需要將中小型套筒傾斜焊在直澆口上面。一般考慮將內澆口設置在鑄件的端面上，當法蘭壁薄時，將內澆口設置在壁厚大的中部弧面處。對于一些薄壁套筒鑄件來說，采用圖1(a)所示的橫澆口立焊形式時，由于橫澆口的凝固收縮，會使圓管口變形，因此采用圖1(b)所示的直澆口側澆，設置單個內澆口。

表1 套筒類澆注系統

圖1 薄壁套筒的澆注系統

圖2為套筒類鑄件澆注系統的應用案例，圖2(a)為采用組合式設計的U型不銹鋼法蘭彎管澆注方式[1]，圖2(b)為耐熱鋼排氣歧管熔模鑄造的澆注系統[2]，圖2(c)為不銹鋼渦管的澆注系統圖[3]，設置了環形內澆道來提高鑄件上端的補縮效果。

2 板類熔模鑄件澆注系統

板類熔模鑄件的內澆口開在正面時，會產生“丁”字形熱節。由于直澆口在凝固時發生收縮，型殼會因阻礙收縮而產生變形。故一般將內澆口開在鑄件側面，澆口類型為扁平的梯形，澆口平臺(打磨基準)厚度至少為0.5mm。當鑄件平面較大時，為了防止壓頭高度太高而引起型殼膨脹，需要多開內澆口而減少壓頭的高度。

圖3、圖4為應用實例。圖3為CF-8M的碟板鑄件[4]，采用橫澆道生產時存在夾渣和氣孔。后來改進澆注系統，增加澆口杯B，原澆口杯A作為排氣孔，且澆口杯A上設置了3條拉筋用來排氣。實踐證明，渣孔問題得到解決。

圖3 碟板鑄件澆注系統

圖4為薄壁調節片熔模鑄造澆注系統，采用單側澆注鑄件。剛開始時內澆道數量偏少且鋼液流動性差，導致了薄壁補縮不足，后來通過在鑄件壁厚最薄處添加內澆道來補縮，從而減少了鑄件疏松缺陷[5]。

圖4 薄壁調節片熔模鑄造澆注系統

3 圓環類熔模鑄件澆注系統

圓環類鑄件壁厚均勻，鑄造過程中主要缺陷是變形，表2為此類鑄件澆注系統的歸納總結。

表2 圓環類熔模鑄件澆注系統

圖5為卡箍類半環形薄壁鑄件的澆注系統方案[6]。蠟模起模后，質地較軟。為防止蠟模變形在蠟件上增設了工藝筋。該件底部兩端的熱節通過底部開內澆口消除，但澆口橫截面太小引起了其他部位的縮松。其改進方案為：仍是底部開澆口，通過開側澆口增大有效橫截面積并將2件合1件進行組樹。

圖5 卡箍類半環形薄壁鑄件的澆注系統

圖6為某環狀鑄件采用十字形分流頂注式澆注系統[7]，可以實現順序凝固，同時減少渣的進入。

圖6 環狀鑄件十字形分流頂注式澆注系統

4 輪盤類熔模鑄件澆注系統

輪盤類熔模鑄件主要有齒輪、渦輪、葉輪和導向器等。對于一般小型的輪盤類鑄件，采用直澆口組焊的方式；而對于大型的輪子，則采用直澆口直接進行澆注，1次1件。

圖7為微型渦輪發動機渦輪熔模鑄造澆注系統設計[8]。設置側注式且設計4個內澆道來提高其對鑄件本體的補縮能力。

圖7 微型渦輪發動機渦輪熔模鑄造澆注系統

圖8為燃氣輪機渦輪兩種澆注系統圖[9]。采用圖8(a)所示的澆注系統，當澆注溫度高時軸出現疏松，澆注溫度低時葉片充型困難且軸心存在顯微疏松的缺陷，故需優化。圖樣上Φ46mm軸導致合金液流通通道和補縮通道明顯不足。為增加對軸的補縮，將軸增大到Φ60mm，再采用機械加工至圖紙尺寸；由于球形澆冒口的補縮能力大于錐形，能提供更大的靜壓頭以及充型動壓頭，故采用球形澆冒口。優化后澆注系統見圖8(b)。

圖8 燃氣輪機渦輪澆注系統

圖9為某核級泵葉輪澆注系統設計圖[10]。圖9(a)為原澆注系統，水平中間澆注并利用澆道和外加補貼進行鑄件補縮。葉輪結構復雜且鋼液從中部注入使充型不平穩。出氣系統設置不合理致使型腔內氣體無法排出而存在氣孔、縮松。圖9(b)為優化后的澆注系統，為了防止鋼液充型時紊亂，改用平放式澆注(底部進液，鋼液從下到上充填鑄件型腔)確保鋼液平穩持續地充型。設置2處澆口使鋼液中的夾雜物在葉輪型腔內能夠順利上浮排出，后蓋板引4根出氣棒到最高處用作排氣。葉輪前蓋板圓弧處的4處補縮通道保證了凝固時的補縮量。澆注時鋼液先從側澆口注入，待到液面上升到十字跑道底部時，再改從中間澆口注入而形成熱冒口，確保了對葉輪后蓋板的補縮。

圖9 某核級泵葉輪澆注系統

5 殼體類熔模鑄件澆注系統

殼體類鑄件(或閥體)通常采用直澆口多層內澆口或單獨直澆口每組1件的澆注系統設計。閥體類的工作要求是耐壓、不滲漏，故在設計澆注系統時主要考慮要避免縮松、縮孔缺陷。閥體類澆注位置主要有兩種，即中法蘭向上和中法蘭向下。對于底座類鑄件，在熱節處設置拉筋，目的是一方面防止鑄件變形，另一方面利用拉筋的厚大截面，兼起冒口作用來實現對兩端熱節的補縮。對于大型復雜鑄件的澆冒口設計，需要考慮澆注時及澆注后型殼和鑄件上的溫度場分布情況。避免液流大量地沖刷型殼以及在型殼散熱不好的地方形成新的熱節。

圖10為某殼體類零件的澆注系統圖[11]，設置了內澆口直接放置于產品的每個熱節，用來補縮。

圖10 某殼體類零件的澆注系統

6 雙金屬熔模鑄件澆注系統

單一材料熔模鑄件無法滿足實際生產中多方面的要求。譬如要求材料既有良好的韌性，用來抵抗物料在工作中受到的沖擊而發生斷裂，同時又要求鑄件具有高的強度及良好的耐磨性能，提高部件的壽命。這往往是單一鑄件難以達到的。而利用復合技術可以使得物理、化學、力學性能不同的金屬實現冶金結合，其中各自金屬保持原有的特性，但其綜合性能比單一的金屬要優越。

圖11 具有渣孔缺陷的鑄件

在生產雙金屬鑄件時，插入不同于主體的材料，然后再澆注主體材料。其中插入的材料相當于內冷鐵，如果是蠟模組樹時插入會使得焙燒時被插入的材料被高溫氧化而產生渣孔等缺陷。如圖11為所產生的渣孔缺陷。

針對此類缺陷改進方案為等型殼焙燒后再插入不同于主體的材料，避免裂解材料隨殼體在高溫中被氧化。其中鑄件上蠟模在需要插入不同材料的部位預先設置了蠟塊，等制殼及焙燒完后敲去多出的型殼，再將不同材料插入此部位并用耐火泥堵住后澆注。以雙金屬連桿為例，敲去兩端型殼后的殼體如圖12所示，被敲位置用來放置另一種材料。

圖12 被敲去兩端型殼后的雙金屬連桿型殼

7 結語

1) 針對不同類型的零件采用有針對性的澆注系統，可以縮短產品的開發周期。

2) 提出了雙金屬鑄件的熔模澆注方法，擴大了鑄件的應用范圍。