增壓缸體鑄件的鑄造工藝設計與優化

（廣東中天創展球鐵有限公司，廣東英德 513000）

1 增壓缸體技術要求及生產難點

增壓缸體是大型壓鑄機（重量在1 250 t 以上）重要的零部件之一，上、下均為長方形法蘭，中間段類似圓桶型、且中心為通孔。鑄件的外形尺寸為670mm×510mm×470mm，主要壁厚90mm～130mm，重量為700 kg，材質為QT500-7.鑄件結構見圖1，鑄件機加工圖見圖2.

從圖2 可以看出鑄件機加工精度和內部質量要求較高，鑄件中φ300 mm 及300 mm 深的孔加工粗糙度要求Ra0.8 μm，需要進行衍磨，且衍磨后不允許有色差、氣孔、針孔、夾渣和縮松等缺陷，是生產技術的最大難點，為此利用Any Casting 軟件對工藝過程進行了模擬，結合模擬結果進行了工藝優化。

2 鑄造工藝方案的選擇及確定

2.1 鑄造工藝方案的選擇

根據增壓缸體鑄件的結構特點，初步設計了兩種鑄造工藝方案，見圖3.

圖1 鑄件結構示意圖

圖2 鑄件機加工圖

圖3 鑄造工藝方案圖

第一種方案：妨礙起模的法蘭采用兩邊下砂芯工藝。優點：模具耐用，不容易損壞；缺點：工裝大、吃砂量大，模具制作費用大，尺寸精度差，鑄件外觀差，主要還是工序增多，生產效率低。

第二種方案：妨礙起模的法蘭采用分段拆活工藝。優點：模具制作簡單，尺寸精度高，模具與鑄件毛坯結構基本一致，外觀質量好，減少部分制芯、下芯工序，生產效率高，大大降低成本；缺點：造型時活塊取出相對繁瑣，且容易變形損壞，縮短模具壽命。綜合考慮：選擇第二種設計方案，并制定增壓缸體鑄件詳細的鑄造工藝。

2.2 鑄造工藝方案的具體內容

2.2.1 造型型砂

因是單件需求，模具設計為一箱一件，選用呋喃樹脂砂造型。

2.2.2 分型面

從鑄件技術要求、重要使用面、鑄件結構、下芯方便、利于排氣和工裝制造等方面綜合考慮，分型面設在10 mm 凸臺與670 mm×510 mm×100 mm板連接面（即三個凸臺在下型，鑄件其他部分全部在上型）;同時采用帶濾網擋渣底注式澆注，如圖4所示。

2.2.3 收縮率與加工余量

根據鑄件的材質和結構特點，收縮率取1.0%，拔模斜度取外1∶100，內1∶35，未注圓角選取R10.加工余量：上表面+8 mm，下表面、側面+5 mm，中孔衍磨段+8 mm，其余+5 mm.

2.2.4 澆注系統

由于增壓缸體質量要求較高，采用泡沫過濾網加陶瓷管底注式、封閉式澆注系統，結合生產經驗和理論計算[1]，確定內澆道截面積取28.0 cm2，并選取A內∶A橫∶A直=1∶1.2∶1.36，計算出橫澆道截面積33.6 cm2，直澆道截面積38.46 cm2；具體采用φ70 mm 陶瓷管直澆道，70/80 mm ×45 橫澆道，3塊并排150 mm×100 mm×20 mm 過濾器，4 個φ30 mm 內澆道。

2.2.5 冷鐵

澆注采用底注方案，為了防止底部局部過熱產生縮松等缺陷現象，在兩邊長方形凸臺上各均勻放置4 塊通用冷鐵（φ90 mm/φ100 mm×120 mm），中間φ430 mm 凸臺上均勻放置8 塊通用冷鐵；由于中孔φ300 mm 加工光潔度要求高，加上300 mm深處有一個熱節位，為了使鑄件趨向于均衡凝固，減少局部熱節，在砂芯φ300 mm 孔設置兩塊成型冷鐵，冷鐵間隙為35 mm，冷鐵厚度按梯度設置，底部厚60 mm，頂部厚40 mm.

2.2.6 砂芯及排氣

中孔采用砂芯工藝，芯盒示意圖見圖5，下孔芯頭做出定位防止旋轉，芯盒采用對開式芯盒，方便制芯；圓孔位置芯盒內放置成型冷鐵，冷鐵位置在芯盒內刻線作為標記，放置砂芯內的冷鐵為放置在厚壁處；在上型芯頭中間釘φ3 排氣管定位，造型時放排氣管，中間砂芯打芯時中間扎φ15 排氣孔，與上型芯頭位置基本一致。

圖4 增壓缸體鑄件鑄造工藝簡圖

2.2.7 冒口

根據增壓缸體鑄件的結構特點，在上型頂部靠近熱節處設置3 個φ80/φ100 明冒口，作補縮冒口兼型腔排氣。鑄件的簡易鑄造工藝如圖5 所示。

圖5 中孔芯盒示意圖

3 鑄造工藝模擬及優化

3.1 鑄件材質和工藝模擬參數的選擇

增壓缸體鑄件材質為QT500-7，熔煉化學成分控制（質量分數，%）為：ω（C）3.72、ω（Si）2.35、ω（Mn）0.25、ω（P）0.020、ω（S）0.010、ω（Mg）0.045、ω（Re）≤0.010，澆注溫度選取1355℃，充型速度100cm/s，充型時間34 s；鑄型和砂芯選取呋喃樹脂砂，初始溫度為常溫25 ℃；收縮率取1.0%.

3.2 增壓缸體澆注充型模擬分析

增壓缸體鑄造工藝過程澆注充型充填率模擬結果如圖6 所示，從模擬結果看，充型過程平穩，無紊流等現象產生。

增壓缸體模擬凝固過程狀態，如圖7 所示。

增壓缸體鑄件模擬的概率缺陷參數及概率缺陷位置如圖8 所示。

3.3 模擬結果分析

1）從模擬結果看，整個充型約34 s，接觸冷鐵部位溫度局部有所降低，因整個充型時間不長，上下液面不至形成較大的溫度差，利于均衡凝固。

2） 從凝固過程看，冒口補縮在鑄件凝固率12.5%時失去補縮能力，從時間上看約426 s，鑄件表面特別是放冷鐵的面已凝固，建立起了強度，冒口很好的完成了前階段快速凝固收縮的液態補縮，使下階段的石墨化膨脹能很好的進行自補縮。

3）從凝固過程看，凝固過程凝固40%時開始形成三個液相孤立區，其中兩個液相孤立區較小，缺陷的形成往往在液相孤立區最后凝固區及附近，即在圖8 概率缺陷位置圖中白點處，形成局部縮松可能性，從缺陷的位置和大小從鑄件的使用性能來考慮，概率缺陷位置2 有鉆孔，有一定的隱患。根據以上分析并結合實際生產，確定概率缺陷位置2 為需要進行工藝優化改善的重要點。

圖6 增壓缸體鑄造工藝澆注充型模擬

圖7 增壓缸體模擬凝固過程狀態

圖8 概率缺陷位置（圖中白點處）

4 工藝優化

根據模擬結果缺陷產生的概率和位置，因為冷鐵促使鑄件厚實部分提前膨脹，從而加強鑄件獲得液態補縮的能力，避免在凝固后期因為補縮不足而出現縮松縮孔，具體工藝優化如下：1）在鑄件孔φ85 外側增加一塊通用冷鐵80 mm×80 mm×70 mm（高），并在外模刻線冷鐵位置作為定位；2）在鑄件孔φ85 下側內圓φ270 處增加一塊寬80 mm、高60 mm、厚40 mm 成型冷鐵。優化后工藝如圖9 所示，通過實際生產驗證，缺陷消除，取得良好改善效果。

圖9 工藝改善后工藝簡圖

5 結論

根據增壓缸體的結構特點，選取A內∶A橫∶A直=1∶1.2∶1.36 的開放式澆注系統，將凝固模擬技術應用到工藝設計當中，對設計出來的鑄造工藝進行模擬，為改進澆注系統、排氣系統等提供幫助，從而合理設置冒口、冷鐵，配合合適的澆注溫度、充型速度，可以獲得形狀完整、內部致密的鑄件，鑄件質量滿足技術要求。