泵用壓蓋類鑄鋼件的工藝研發

李朝東，宋 亮，常永慧，田學智，王曉毅，程永剛，王鵬東

（共享智能鑄造產業創新中心（安徽）有限公司，安徽蕪湖 241200）

1 產品結構和技術要求

壓蓋在泵中起著密封和固定的作用，對泵的正常使用和運轉至關重要。圖1 所示為泵用壓蓋產品，重量約為15.5kg，材質為ZG230-450，具體鑄件結構參數見表1，化學成分見表2，力學性能見表3。鑄件最大壁厚28mm，最小壁厚僅為6mm，要求鑄件不得有縮孔、縮松和裂紋等缺陷。

表1 鑄件基本參數

表2 鑄件化學成分要求 w/%

表3 鑄件室溫力學性能要求

圖1 泵用壓蓋產品模型

此鑄件重量較小，整體結構也相對簡單，但是該鑄件存在很多的散熱筋板，厚度僅為6mm，最短的為35mm,最長的達到170mm，高度為25mm。通過對該鑄件結構的分析，有如下兩點鑄造難點：

（1）鑄件筋板厚度小，易充型不良。在砂型鑄造中，碳鋼件尺寸在200mm～400mm 之間時，鑄件的最小壁厚不應小于9mm[1]。而此鑄件的壁厚僅為6mm，已遠遠超過了砂型鑄造生產的極限，所以筋板的成型將是該鑄件的重難點。

（2）某企業生產鑄鋼件所使用的澆包為1.5t鋼包，但此產品重量僅為12.5kg,由于鑄件質量較小，使用較大鋼包進行澆注時，鑄件的澆注溫度、澆注時間及澆注過程等均不能很好地保證，為此對鑄件薄壁部分的成型是非常不利的。

2 鑄造工藝設計

2.1 澆注位置選擇

考慮該產品筋板不易成型，鑄件重量小等結構特點，同時還結合3D 打印砂型技術無需考慮模具制作、分型靈活等優勢和特點，選擇了一型多件且鑄件豎直澆注的工藝方案，如圖2 所示，為泵用壓蓋產品澆注位置。此澆注位置的選擇有如下優勢：

圖2 澆注位置

（1）豎直澆注時金屬液上升液面截面積小，等高面溫度差小，不易產生冷隔、氣孔等缺陷。

（2）鑄件豎直放置有利于補縮冒口的設置和鑄件的整體補縮，同時有利于后序清理。

（3）采用一型多件，可增加單箱澆注重量，減少澆注箱數，保證澆注溫度可控，確保鑄件質量的同時也提升生產效率。

2.2 冒口、冷鐵設計

對于鑄鋼件來說，為保證冒口能夠對鑄件起到有效地補縮作用，必須要保證冒口的凝固時間要比鑄件的凝固時間長，冒口所能提供的補縮液量應不小于被補縮區域鑄件的液態收縮、凝固收縮和型腔擴大量之和。為此，在公司鑄鋼件產品設計時要求：M冒≥1.2M鑄件，冒口的補縮液量大于鑄件被補縮部分重量與暗冒口重量的1/3，且在保證能夠提供足夠金屬液的同時還要確保在整個凝固過程中冒口和鑄件之間的補縮通道的暢通。

通過對鑄件結構、澆注位置及產品厚大位置熱節的分布情況和結合CAE 模擬軟件，分析鑄件熱節位置分布情況，確定使用1 個頂冒口，再通過鑄件模數確定了冒口大小，同時通過冷鐵和補貼的配合使用，保證鑄件無縮孔、縮松缺陷，確保內部質量。如圖3 所示，為泵用壓蓋產品的冒口冷鐵設計。

圖3 冒口冷鐵設計

2.3 澆注系統設計

因鑄件結構較小，鑄件壁厚相對均勻，故澆注系統采用中注開放式澆注系統。此種澆注系統兼有頂注和底注式澆注系統的優缺點，在保證金屬液上下型溫差不大的情況下充型過程平穩，同時避免了金屬液直沖砂芯造成夾砂缺陷。

2.4 CAE 模擬

圖4 澆注系統圖

CAE（計算機輔助工程分析）模擬可以增加設計功能，減少設計成本，縮短設計周期；采用優化設計，找出產品設計最佳方案，降低材料的消耗或成本等優點[2]。如表4，為產品模擬參數表。

表4 產品模擬參數表

結合CAE 模擬軟件對產品鑄造工藝進行模擬分析，通過模擬結果判斷鑄件產生縮孔、縮松傾向，并對鑄造工藝冒口、冷鐵和補貼等進行調整優化，以保證產品內部質量。通過優化調整，最終CAE 模擬結果顯示：產品和冒口模數符合順序凝固要求，冒口最后凝固，產品無縮松傾向。如圖5所示，為孔隙率、熱節圖。

圖5 孔隙率、熱節圖

同時對產品澆注系統是否設計合理，對金屬液在鑄型中是否平穩上升，是否有紊流、飛濺和卷氣等過程進行充型模擬，經過模擬結果顯示：產品澆注系統設計符合滿足要求，符合澆注系統設計規范，金屬液充型過程平穩無飛濺。

2.5 3D 打印砂型設計

此產品生產時使用3D 打印砂型進行生產，因此在砂型工藝設計時充分利用了3D 打印技術不用考慮模具制作、起模，可以將型、芯結合，極大減少砂芯數量，避免組芯合箱時導致的偏差，尺寸精度高，加工余量小等的優勢和特點，將整個鑄件生產所需要的砂型拆分為2 塊砂型，同時將鑄件難度大的筋板全部放置在一個砂型內部，避免豎直澆注時從中間位置分型導致鑄件筋板產生披縫的問題，提高鑄件外觀質量的同時也減少了后序清理工作量，從質量和成本方面有了很大地改善和提升。如圖6 所示，為產品的3D 打印砂型圖。

圖6 砂型圖

2.6 熔煉澆注

熔煉使用中頻感應電爐加吹氬除氣的方式，出鋼時，使用鋁粒脫氧。因產品厚度較小，因此要保證鋼水溫度，出鋼前對鋼包進行烘烤，保證鋼包溫度≥800℃，出鋼溫度控制在1650～1670℃，出鋼、扒渣完成測溫到1585～1595℃時可以進行澆注。

3 生產驗證

如圖7 所示為去除冒口后的鑄件和交付前的鑄件圖，此鑄件只進行了拋丸處理，從外觀看通過工藝改進和3D 砂型技術的應用，鑄件散熱筋板成型良好，筋板一次成型無任何披縫，壁厚均勻，無缺肉問題，同時鑄件整體尺寸控制好，分型面披縫小，極大地減小了后期清理工作量。

圖7 生產鑄件圖

經檢驗，鑄件內部質量滿足客戶無損檢測要求，化學成分、機械性能均達到顧客規范要求。后序清理時鑄件披縫少，產品內部無縮孔、縮松，機械性能優良，產品經生產驗證合格。

4 結語

通過對產品結構的分析和CAE 仿真軟件的輔助模擬，同時充分利用3D 打印技術的優勢，選擇合理的產品澆注位置、分型面、砂型分型方法和澆注溫度等，使得產品的筋板及重要結構均在同一砂型中，生產過程操作簡單，尺寸穩定，外觀質量有很好的保證。經過生產驗證，此產品一次生產合格，各方面均滿足顧客要求，產品表面披縫小，筋板成型極好，無冷隔、缺肉等缺陷，同時也很好地保證了鑄件外觀質量，減少了清理工作量，極大地節約了生產成本，使鑄件質量得到很大地提升。