均衡凝固理論在薄餅類鑄件生產中的應用探討

曹忠海

（江蘇省江陰中等專業學校周莊校區，江蘇江陰 214423）

1 背景

在鑄造生產過程中傳統的工藝一般依據順序凝固和同時凝固理論來設計的。在鑄鐵件的生產實踐中人們發現采用上述兩理論，有時難以達到理想的效果。對此西安理工大學魏兵教授提出了均衡凝固理論，該理論一經提出，就在鑄鐵件鑄造生產中得到了廣泛的應用，并取得了較為滿意的鑄造效果。該理論的精髓是有限補縮的概念，認為任何一個鑄鐵件在凝固的某一時刻，有些部分正在收縮，有些部分已進入石墨化膨脹，時間是同時的，鐵液是相通的；這時，脹縮就可以相抵，鑄件表現出來的收縮值，實際上是脹縮相抵的凈結果，其原理見圖1。

A 點為型腔充填開始；B 點為型腔充填完畢；C 點為鑄件凝固結束時刻；D 點為石墨化膨脹速率最大值；曲邊三角形ABC 為鑄件的總收縮；曲邊三角形ADC 為鑄件的石墨化膨脹；曲邊三角形AB'P 為鑄件脹縮相抵的凈收縮，稱為鑄件的表現收縮；P 點為均衡點，對應的時間是鑄件收縮量等于膨脹量的時間，此時表現收縮為零，即為冒口補縮終止時間。

圖1 鑄鐵件收縮與膨脹疊加

從圖1 中可以看出，對于鑄鐵件，冒口只需在AP 時段內對鑄件進行補縮，而傳統理論認為必須在AC 時段內都要對鑄件進行補縮，故均衡凝固理論要求的冒口補縮時間大大縮短。

2 薄餅類鑄鐵件的均衡凝固工藝

2.1 工藝特點分析

薄餅類鑄鐵件（指直徑? 與厚度δ 之比大于5的鑄件），雖然形狀簡單，但由于上平面大，在鑄造生產中很難進行補縮，常常出現縮孔、縮松等缺陷。以生產的尺寸為（?425×35）mm，重量為35.5kg 的薄鐵餅工件為例,一開始采用傳統工藝（工藝簡圖參見圖2）鑄造，在冒口根部出現縮孔、縮松等缺陷，鑄鐵合格率只能達到70%左右。依據均衡凝固理論有限補縮的原理，采用由直澆道、橫澆道、壓邊冒口一壓兩件的改進工藝進行鑄造，工藝簡圖見圖3。

圖2 傳統工藝

圖3 均衡凝固工藝

2.2 具體工藝參數的確定

本工藝需要確定的關鍵工藝參數有：壓邊冒口的尺寸、壓邊縫隙的寬度、直澆道的截面尺寸、橫澆道的截面尺寸。

2.2.1 壓邊冒口尺寸

（1）計算鑄件模數Mc

（2）計算冒口模數MR

MR=1.08Mc=1.08×1.5=1.62（cm）

由此選定A-7 冒口，具體尺寸為：a=100mm,b=100mm,h=100mm,實際生產中為了造型的方便，冒口本體采用了?100 的圓柱體，GR=5.6kg。

2.2.2 選取直澆道截面尺寸

G澆道取鑄件重量的15%。

此時查資料得直澆道的直徑為28mm，截面積（A直）為6.1cm2。

2.2.3 選取橫澆道截面尺寸

A橫=0.8A直=6.1×0.8=4.9（cm2）

橫澆道具體尺寸為28 mm×36mm,高15mm。

另外，根據有關資料壓邊縫隙e=5mm。

2.2.4 計算工藝出品率

根據圖2 和圖3 所示的工藝路線，鑄件的尺寸為?=90mm，h′=100mm。計算時結合鐵餅鑄件的比重進行質量換算，對傳統工藝和均衡凝固工藝的出品率進行比較。

采用圖3 得出均衡凝固工藝的出品率η：

η=Gc/∑G總=35.3×2/81.5×100%=86.7%

通過對單個鑄件的質量計算，再計算工藝出品率，得到圖2 所示傳統工藝的出品率η′：

比較出品率：

按上述的均衡凝固工藝生產了一批?425mm、厚度35mm 的鐵餅，機加工后的合格率達到98%。

3 結束語

在薄餅類鑄鐵件的鑄造工藝設計中，采用均衡凝固理論，可以解決采用傳統鑄造工藝中冒口根部出現縮孔、縮松等缺陷的問題，大大提高了鑄件的合格率；同時可以提高鑄件的工藝出品率和鐵水利用率。