球墨鑄鐵彎管鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

代良興，賈天琦，孫 琪

（營(yíng)口理工學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115000）

1 球墨鑄鐵發(fā)展

我國(guó)球墨鑄鐵發(fā)展較為緩慢，大體分為3 個(gè)時(shí)期。第一個(gè)時(shí)期，從1949 年開始研發(fā)球墨鑄鐵，大概用了10 年。第二個(gè)時(shí)期，從1960 年初開始到1978 年，開始研究RE-Mg 球化劑以及RE-Mg球墨鑄鐵的應(yīng)用開發(fā)，各種RE-Mg 球墨鑄鐵在全國(guó)得到推廣和應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)。第三個(gè)時(shí)期，從1978 年到現(xiàn)在，在鑄造球墨鑄鐵時(shí)發(fā)現(xiàn)球墨鑄鐵件在鑄造凝固過(guò)程中，共晶石墨會(huì)析出會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致糊狀凝固特性導(dǎo)致鑄件在凝固初期難以形成堅(jiān)硬外殼[1]，從而導(dǎo)致收縮量減小造成鑄件因壁厚超差，造成球墨鑄鐵不合格[2]，為了獲得高強(qiáng)度的鑄件，制定了新標(biāo)準(zhǔn)，此后我國(guó)的球墨鑄鐵生產(chǎn)方法和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)得到顯著的提高[3]，在國(guó)際球墨鑄鐵的影響不亞于歐美國(guó)家。

2 彎管的結(jié)構(gòu)及造型工藝分析

實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)體積較大、壁厚較薄的球墨鑄鐵工件，鐵水流程較長(zhǎng)，在充型過(guò)程中容易產(chǎn)生縮孔縮松。需要嚴(yán)格制定鑄造的工藝參數(shù)。根據(jù)管道零件圖，最終確定彎曲半徑為R1200mm×90°，有效彎曲長(zhǎng)度約等于1800mm，毛坯重量約為26t，并在彎管的基礎(chǔ)上1/4 圓弧彎曲段的基礎(chǔ)上向兩端各延伸200mm 并連接著法蘭盤結(jié)構(gòu)。管外徑D 為Φ750mm，考慮到需要過(guò)渡等情況所以確定壁厚δ=13.2mm，法蘭盤厚度為43.2mm，長(zhǎng)度為40mm，彎管的表面粗糙度為3。

鑄造球墨鑄鐵彎管，砂芯材料選擇和砂芯的固定是關(guān)鍵，在鐵水充型過(guò)程中的浮渣很容易從彎管的彎處上浮到表皮，而且如果把砂芯的體積設(shè)置的過(guò)大或者過(guò)重，容易導(dǎo)致造型的變形，所以設(shè)計(jì)選擇砂芯的長(zhǎng)為1800mm，砂芯的直徑D=744mm。芯頭長(zhǎng)度為200mm，芯頭高度d=372mm，間隙S=4.0mm，芯頭的拔模斜度為7°，芯頭和芯座的間隙為44mm。考慮到砂芯可能過(guò)重，可以將砂芯作為空心，里面放置龍骨。

芯盒材料考慮到需要一定的強(qiáng)度，所以芯盒選擇鋁合金ZL104 作為芯盒材料，參照標(biāo)準(zhǔn)GB1173-74，確定了ZL104 的自由線收縮率0.8%。芯盒內(nèi)腔尺寸744mm，芯盒的內(nèi)腔尺寸為744mm。芯盒高為1000mm，長(zhǎng)度為2000mm，寬2000mm。

3 彎管鑄造工藝方案確定

已知壁厚是13.2mm，管外徑為Φ750mm，彎曲有效長(zhǎng)度約為1800mm。設(shè)計(jì)采用的尺寸公差等級(jí)取CT9，確定了鑄件的公差數(shù)值為5.4mm，偏差為±3mm。確定了加工余量的等級(jí)為F級(jí)，加工余量為8mm。起模斜度α=0° 20′，a=2.4mm。球鐵的鑄造收縮率為0.8。

4 澆注系統(tǒng)和鑄造工裝設(shè)計(jì)

澆口窩直徑為直澆道下端直徑兩倍，因此D=228mm ；澆口窩高度為橫澆道高度兩倍，因此h=342mm。設(shè)計(jì)杯選用普通漏斗形澆口杯，D1=315mm，D2=297mm，h=243mm。各個(gè)澆道結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

模樣材料考慮使用HT15-33，可以保證模樣有一定的強(qiáng)度和韌性，而且灰鑄鐵價(jià)格低廉。模樣尺寸：鑄件寬度768.4mm，鑄件長(zhǎng)度1498.4m，模板寬度1383.12mm，模板長(zhǎng)度2697.1mm。根據(jù)零件的尺寸，可知模樣的壁厚為12mm。使用機(jī)械造型，所以模樣的表面粗糙度為5。模樣的間隙S=0.2mm，公差d=0.2mm，模樣的尺寸為26971.3mm×1364.6mm。模樣分型面與模板的間隙為0.2mm。砂箱可選尺寸為：3000mm×2000mm×1500mm，砂箱材料：HT150。

5 建模仿真優(yōu)化

繪制鑄件的三維模型圖，將模型導(dǎo)入ProCAST 對(duì)鑄件完成鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬，根據(jù)圖2 預(yù)測(cè)了鑄件凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷的地方。針對(duì)凝固過(guò)程中縮陷缺陷，改善球墨鑄鐵件的質(zhì)量。

圖1 各澆道截面積尺寸圖

圖2 凝固過(guò)程流場(chǎng)圖

仿真結(jié)果顯示，模具是1600℃的金屬液倒入型腔鑄件冷卻到溫度只有136℃，用了1913s，凝固體積占比達(dá)到了80.1%，充滿型腔的百分比達(dá)到98%，但是可以從中看出從1400℃降低到205℃，用了1353s，說(shuō)明從鐵水進(jìn)入時(shí)溫度降低到1200℃，用時(shí)560s，溫降速度為1℃/S，從1210℃到1135℃，用時(shí)27s，這27s凝固體積達(dá)到了1.9%，溫降速度接近3℃/S，這個(gè)數(shù)據(jù)說(shuō)明了設(shè)計(jì)溫度場(chǎng)和各種尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)圖2 所示，鑄件是1600℃的型腔鑄件，用了9s，充滿型腔的百分比達(dá)到73%，流場(chǎng)的符合設(shè)計(jì)需求，說(shuō)明了設(shè)計(jì)溫度場(chǎng)和各種尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

6 小結(jié)

球墨鑄鐵彎管鑄造工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)造型的工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)。從工藝裝備、方案確定、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等角度全面考慮，有效控制鑄件質(zhì)量。為了避免加工不合格等加工缺陷，所以選擇了8mm 加工余量，確定用酚醛樹脂作為造芯材料，并且選擇表面干燥性砂型作為造型方式，表面粗糙度為3 ；根據(jù)設(shè)計(jì)需求確定了澆注系統(tǒng)采用中間注入封閉式快澆系統(tǒng)，取S內(nèi)：S橫：S直=1 ：1.8 ：1.4，該系統(tǒng)擋渣效果好，能有效防止外界氣體卷入型腔，有效控制鑄件出現(xiàn)氣孔、砂眼等鑄造缺陷的產(chǎn)生。