淺析鑄件設計對鑄造企業的重要性

任現偉

（洛陽古城機械有限公司，河南洛陽 471023）

當前，筆者認為很多鑄件質量做不好的根本原因有兩方面：一是鑄造企業的工藝技術設計能力和生產裝備不能滿足所生產鑄件的要求；二是鑄件的設計不利于鑄造成形過程控制。有很多鑄件設計者在設計鑄件結構、形狀和尺寸的時候，除了經濟性以外，重點考慮的是滿足使用的荷載、力學性能、機械加工和裝配等要求。由于受到傳統的保守觀念、輕量化和低成本特別是自身鑄造知識結構的制約，往往導致所設計出來的鑄件不利于鑄造或者是要采用復雜的鑄造方法甚至是精密鑄造才能實現，使得鑄造生產難關重重、效率低下、成本高昂。

有些鑄造企業在遇到上述問題時不善于、也不清楚如何與鑄件設計者進行有效的技術溝通，往往會造成所生產的鑄件質量無法滿足客戶的需求，遲遲不能送樣、貽誤交貨周期，造成很多后期鑄造過程工藝變更，甚至導致開發失敗。因此，作為鑄造工作者，應該在鑄件結構定型之前，充分與鑄件設計者保持密切溝通，力爭使定型后的鑄件能夠滿足傳統鑄造方法，以低消耗、低成本的鑄造過程工藝實現批量生產。因此，我們需要就以下幾個經常困擾鑄造生產的問題點與鑄件設計者展開詳細的技術溝通。

1 拔模問題

在鑄件設計過程中，拔模是對鑄件的一些相對于分型面垂直或斜度小的表面做出的錐度調整，以便從按照鑄件模樣設計出的模具中取出鑄件或能夠實現從模具上順利脫模的功能。一些鑄件往往在拔模方向和拔模斜度上給鑄造帶來一些意想不到的難題。

1.1 拔模方向

在鑄件設計過程中，拔模方向是鑄件的一些特定的表面沿分型面傾斜一定角度的方向。如果鑄件的某些表面被賦予的拔模方向有誤，將會使鑄造難度增加，甚至在鑄造生產中需要額外借助于活塊、砂芯、甚至是增加鑄件局部厚度的方法來得以實現。這時，如與設計者溝通，在不影響鑄件總體壁厚，機械加工夾緊、定位，裝配，不削弱鑄件性能和使用效果的前提下，從鑄造可行性的角度給鑄件設計者提出改變設計拔模方向的意見，建議設計者改變局部拔模方向，最終實現盡量不額外使用活塊、砂芯和增加機械加工余量等方法提高可鑄性，從經濟性的角度避免和降低額外的鑄造成本投入，從而達到滿足鑄件整體質量和批量生產的目的。

1.2 拔模斜度

拔模斜度有三種形式，分別是增加厚度法、減小厚度法和加減厚度法。正因為在鑄件上添加拔模斜度會人為地減小或加大鑄件局部厚度。因此，對于沒有拔模斜度的鑄件圖紙必須與設計者溝通具體的拔模形式，否則，生產出的鑄件極有可能無法滿足圖紙的尺寸要求，因為鑄造工作者不明白鑄件設計者的初衷可能將拔模斜度搞反；也可能因為拔模斜度形式不明確導致鑄造企業與客戶之間的尺寸測量結果懸殊過大。

拔模斜度的大小，與鑄件材料的壁厚、收縮率和幾何形狀等有關。砂型鑄造鑄鐵件普遍比金屬模或精密鑄造生產出的鑄件所需的拔模斜度要大；形狀較復雜或成型孔較多的鑄件一般設計的拔模斜度要大一些；另外凹入較深、高度較大的部位則應取較小的拔模斜度；對于金屬模鑄造，有時為了在開模時讓鑄件故意留在凹模內或型芯上，會有意將鑄件該面斜度減小或放大。不論拔模斜度的形式和大小如何變化，首先應該滿足所需的鑄造方法，如果經過評審后確實不能滿足特定鑄造需要，在新產品開發初期應大膽地向設計者提出修改請求。如因特殊的鑄件設計需要，在沒有修改可行性的前提下，應考慮優先使用環境友好和經濟成本低的增、減鑄件局部機械加工余量、使用砂芯或活塊等鑄造輔助工藝；特殊情況下也可與客戶溝通，考慮改變鑄造方法、鑄造設備來保證鑄件拔模要求。

2 補縮問題

補縮問題是鑄造企業拿到鑄件圖紙后，在進行鑄造可行性分析的時候遇到最多的問題。鑄件設計者在設計鑄件時，往往為了保證鑄件強度和硬度等可靠性要求，認為鑄件壁越厚性能越好，實際上對于常規鑄件來說，滿足一定強度要求后隨著壁厚的不斷增加，力學性能反而有明顯的下降趨勢，甚至反而會惡化鑄件強度。原因是超過一定臨界壁厚的厚壁鑄件中心層的材料晶粒普遍較為粗大，當補縮不足、排氣不良時易產生內部縮孔、氣孔，外表面凹陷等缺陷，使鑄件的機械性能隨著壁厚的增加而降低。

不論屬于厚壁鑄件還是薄壁鑄件，如果壁厚較為均勻的話總體鑄造難度應該是不大的。這里提到的補縮問題，是那種讓人苦惱的鑄件壁厚懸殊過大、鑄件局部或補縮通道過薄、過窄導致的補縮過程受阻等問題。從鑄造工藝的角度出發，當局部壁厚突然增大或急劇減薄時，雖然可以在設計模具的時候人為地增加工藝補貼、溢流塊、拉筋和冷鐵等方法減少鑄件設計不合理帶來的影響，但卻額外的浪費了寶貴的金屬液，增加了切割、打磨等后處理工作量，甚至需要動用氣割或者車床、銑床等機械加工設備來去除這些工藝補正量。

3 尺寸問題

這里除了重視因拔模斜度形式不明確造成的鑄件尺寸不合格外，還應特別注意尺寸檢測設備、檢測方法和尺寸公差要求的不同。尺寸問題如果在新產品開發初期處理不當，往往也會造成鑄件不合格。

3.1 檢測設備和檢測方法

對于尺寸檢測設備和檢測方法的選用，要與鑄件設計者做好溝通，避免因為雙方檢測不一致導致的尺寸問題。有些鑄造企業將自己檢測合格的鑄件發到客戶后被告知尺寸不合格，糾其原因好多都是因為檢測設備和檢測方法不一致造成的。不論是采用平臺劃線、三坐標還是輪廓儀等尺寸檢測設備，都要與客戶的檢測設備類型基本趨近。同時，檢測方法也要與客戶保持一致，否則，也會因為方法的差異造成尺寸問題。

3.2 尺寸公差

鑄件尺寸公差是指公稱尺寸的兩個極限尺寸的差值，一般被標注在圖紙相應幾何尺寸之后或技術要求內。不論是引用哪個尺寸公差標準、哪個公差等級，都要求我們仔細閱讀每個尺寸的公差范圍。我們常常犯的錯誤是沒有做到逐一評審，以至于鑄件生產出來后在檢測的時候才發現好多尺寸無法滿足公差要求。為了不重復這樣的錯誤，作為鑄造工作者就必須在新產品開發初期評審所有尺寸公差，及時找出所采用的鑄造方法不能滿足的公差要求，與鑄件設計者溝通解決方案。

4 質量問題

鑄件的質量問題除了幾何形狀、尺寸等物理度量值外，還通常包括材料問題和鑄件內、外部質量。

4.1 材料問題

不論是有色合金還是傳統的黑色鑄件，都必須與鑄件設計者溝通包括鑄件化學成分、金相組織、機械性能等鑄件對材料本身的要求。有些鑄造企業到樣件檢測的時候才發現因為鑄件厚度尺寸偏小，客戶要求的機械性能等本體試樣根本無法制取；客戶要求的延伸率、低溫沖擊值不增加熱處理方法根本無法達到；布氏硬度值與所屬材料機械性能嚴重沖突；化學成分某些元素值幾乎無法達到等問題。這也是在新產品開發初期沒有做好評審，以及評審后沒能就問題點與鑄件設計者溝通的結果。

4.2 內部質量問題

常見的鑄件內部質量問題包括縮松、縮孔、氣孔、夾雜等缺陷。一些嚴重的孔洞類缺陷破壞鑄件結構的連續性，使鑄件整體形狀不完整、減少鑄件的有效承載面積，削弱鑄件承受載荷的能力，可能會導致微裂紋缺陷的產生與擴展，從而引起材料宏觀力學性能的劣化；此外，由于嚴重的縮孔、氣孔和夾雜缺陷的存在使鑄件在孔洞邊緣極易引起應力集中，應力集中可使鑄件產生疲勞裂紋，降低鑄件的機械性能，甚至會發生靜載斷裂[1]。針對這些內部缺陷問題，采用超聲波探傷、X 光設備都是可以明確識別出缺陷位置和尺寸大小的。客戶對這些鑄件內部缺陷能夠接受的范圍和程度必須要與鑄件設計者逐一明確，以免將帶有輕微內部缺陷，但不影響最終使用性能的鑄件做報廢處理，或者按零缺陷驗收等造成的誤檢、誤判的損失產生。

4.3 外觀質量問題

常見的鑄件外觀質量問題包括鑄件表面砂孔、渣孔、冷隔等缺陷。因為這些缺陷都集中在鑄件外表，目測可以很直觀的看出缺陷的位置和大小。有些鑄造企業將檢測合格的鑄件交付給客戶后卻被告知，有很多鑄件在投入機械加工前必須做報廢處理，理由是這些外觀缺陷超出了客戶的預期、超出了所能承受的最大極限。造成這種局面的原因，大多都是沒有與鑄件設計者溝通、明確鑄件外觀驗收標準。

當然，需要非常明確的還有，不是所有的鑄造難題都是鑄件設計不合理造成的，隨著客戶對鑄件質量要求的提升以及鑄造技術水平的不斷進步，鑄造難度的增加也是大勢所趨。因此，我們必須要繼續加大提高鑄造工藝的創新能力，同時就遇到的無法解決的問題從以下幾個方面建議鑄件設計者對鑄件結構進行優化；（1）鑄件的壁厚應力求均勻，以防止縮孔、熱裂等缺陷，當需保證順序凝固條件時，應盡量使其具有朝一個方向變化的壁厚；當需保證同時凝固條件時，應盡量使其趨向于具有等截面壁厚；（2）鑄件壁與壁之間的連接應避免尖角和臺階過大，厚壁與薄壁之間應采用圓角逐漸過渡，不能突變，以免造成熱節和應力集中，形成縮松、熱裂等缺陷；（3）鑄件的局部厚大截面，應盡可能采用鑄孔或挖空結構，并以加強肋適當加固；（4）鑄件平面壁上的鑄孔，可采用凸邊加固，以減小整體壁厚；（5）鑄件結構應盡可能使其冷卻時不要受到過大的收縮阻力；（6）應盡量避免鑄件上具有大的水平面；（7）鑄件內的氣路、水路等大面積的夾層腔，應設置有若干連接柱。

作為鑄造企業，特別是鑄造過程工藝設計工程師，除了以上提到的幾點，還應與鑄件設計者溝通鑄件各方面的檢測標準、檢測方法等問題，做好鑄件形位公差、粗糙度、機械加工余量等方面的明確工作。只有充分將準備工作做好后，才真正有底氣跟客戶討論鑄件圖紙和技術標準定型事宜。

5 結論

鑄造企業在新產品研發初期，在鑄件定型前，應進行詳細的鑄造可行性分析，在確定鑄件特殊特性的同時，就鑄造的難點與鑄件設計者進行技術性溝通。

（1）為了鑄造可行性在征得客戶同意的前提下，由鑄造企業根據客戶對鑄件的概念要求或者機械加工圖等資料將鑄件設計好后發給客戶確認或者與客戶一起設計。

（2）在發給客戶確認前，使用Magma，Flow-3d等鑄造模擬軟件對鑄件的鑄造缺陷進行模擬分析，找出可能影響鑄造的孤立熱節點、收縮受阻變形傾向大、冷卻速度過快等部位，再返回到鑄件圖中優化鑄件局部形狀，結構或尺寸，這樣反復進行模擬和優化，直到適合特定鑄造過程。

（3）正因為鑄件設計對于鑄造生產的重要性，當鑄件設計任務不在鑄造企業的情形下，必須在鑄件產品開發初期與鑄件設計者一同做好可行性評審工作，為鑄造生產奠定堅實的可靠性基礎。

（4）從長遠考慮，甚至可以對客戶的鑄件設計人員就鑄造可行性等方面進行建設性的培訓，這樣不但可以加快鑄造產品開發的進度，也可以提高開發的成功率，還能拉近與客戶間的距離，為后續的鑄件產品開發奠定良好的合作基礎。