限位隔膜閥卡式本體鑄件的缺陷分析及工藝優(yōu)化

盧曉斌，黃剛福，晏鶴榮，吳志慧，范曉明

（1.高安市璐克斯機(jī)械有限公司，江西高安 330800；2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

限位隔膜閥卡式本體不銹鋼鑄件[1]壁厚不均勻，且結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，采用熔模鑄造工藝試生產(chǎn)過程中，鑄件易出現(xiàn)渣氣孔，導(dǎo)致滲漏的產(chǎn)生，致使鑄件質(zhì)量難以達(dá)到技術(shù)要求，廢品率較高，這將增加生產(chǎn)成本、延長(zhǎng)交貨周期。為此，利用ProCAST凝固模擬軟件對(duì)其工藝方案進(jìn)行分析及優(yōu)化[2]，以便研發(fā)出可行的生產(chǎn)工藝方案。

1 鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

圖1 為限位隔膜閥卡式本體鑄件的三維模型，其外輪廓尺寸為190mm×70mm×70mm，平均壁厚5.5mm，零件質(zhì)量約為1.96kg，整體結(jié)構(gòu)為左右對(duì)稱，內(nèi)部及下端由較為復(fù)雜的曲面構(gòu)成。鑄件使用的材質(zhì)為316L 不銹鋼，主要技術(shù)要求為：化學(xué)成分如表1 所示。要求鑄件無鑄造缺陷，機(jī)加工后在0.8MPa 壓力下水介質(zhì)試壓，保持0.5min 無滲漏。

表1 鑄件化學(xué)成分 w/%

圖1 限位隔膜閥卡式本體鑄件三維模型

2 初始方案的缺陷分析及模擬驗(yàn)證

2.1 缺陷分析

根據(jù)限位隔膜閥卡式本體鑄件形狀及其特點(diǎn)，該企業(yè)制定的初始方案為一型3 件，如圖2 所示。試制共澆注了3 型9 件，3 件合格，合格率33%。主要問題是機(jī)加工后試壓時(shí)圓管狀部位產(chǎn)生滲漏（見圖3）。

圖2 隔膜閥卡式本體鑄件初始鑄造工藝方案

圖3 帶缺陷零件成品實(shí)物照片

圖3 為機(jī)加工后的限位隔膜閥卡式本體零件，圖中筆跡圈住位置即為滲漏部位。對(duì)加工鑄件采用COMMX-RAY 進(jìn)行X-射線探傷，清楚地顯示出缺陷位置照片如圖4 所示。

圖4 初始方案所制零件的X 射線透視檢測(cè)照片

從圖3、4 可以發(fā)現(xiàn)，圖4a 的渣氣孔位置與圖3 中產(chǎn)生滲漏部位有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。究其原因，應(yīng)是鑄件兩端管狀部位本身壁厚較薄，加工后更薄，若此處存在渣氣孔缺陷，極易導(dǎo)致滲漏出現(xiàn)，而圖4b 的縮孔雖然存在，但是處于鑄件內(nèi)部，且周圍壁厚較大，系內(nèi)部孔洞，對(duì)滲漏性能沒有影響。

對(duì)圖2 限位隔膜閥卡式本體鑄件初始鑄造工藝方案分析可以發(fā)現(xiàn)，在一型三件的初始方案中，當(dāng)澆注開始后，金屬液從中間鑄件的中間位置直接進(jìn)入，而分布兩邊的對(duì)稱布置的2 個(gè)鑄件的充型順序則是，金屬液先充填鑄件2 端的管狀部位，并且始終保持進(jìn)水狀態(tài)，這將嚴(yán)重妨礙鑄件在該處的渣、氣上浮，最后在鑄件上端圓管處極易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷。而中間鑄件則不存在此問題，且澆頭直接補(bǔ)縮，渣、氣易于從所設(shè)的冒口處上浮，所以不易出現(xiàn)圖4a 所示的渣氣孔缺陷，這也說明了此方案鑄件33%的合格率的原因。

2.2 模擬驗(yàn)證

2.2.1 模擬仿真參數(shù)建立

利用UG11.0 將澆注系統(tǒng)、模具型腔和冒口補(bǔ)縮等結(jié)構(gòu)繪制成如圖2 模型,保存Parasolid 格式并導(dǎo)入至ProCAST 軟件中，經(jīng)計(jì)算得出鑄件及澆注系統(tǒng)的面網(wǎng)格和體網(wǎng)格分別為148592 個(gè)、1585708 個(gè)，重力方向與金屬液澆注方向一致，澆注速度經(jīng)計(jì)算后取1.9kg/s。

316L 不銹鋼的液相線和固相線溫度分別為1449.6℃、1297.6℃，因此擬定金屬液的澆注溫度為1650℃，模樣殼體材料采用CF3M-14408 型樹脂砂，焙燒溫度約為1000℃，殼體的厚度為8～12mm，其表面涂有耐火性材料并烘干至一定強(qiáng)度；模殼與外界散熱條件設(shè)為空冷，鑄型與鑄件之間換熱系數(shù)取750W/（m2·K）。

2.2.2 初步工藝方案缺陷分析

鑄件的縮松縮孔分布如圖5 所示，可以看出縮松縮孔主要集中于兩側(cè)鑄件的兩端以及下部，只有中間一個(gè)隔膜閥卡式本體鑄件滿足生產(chǎn)要求，這與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果（出品率約為33%）相一致，其原因是兩端內(nèi)澆口一直進(jìn)水，且較薄致使鑄件的補(bǔ)縮效果較差，而下部出現(xiàn)縮孔是由于該部分為熱節(jié)，形成內(nèi)部小縮孔。對(duì)初始方案的模擬分析也從另一個(gè)角度證實(shí)了2.1 中對(duì)缺陷分析的正確性。

圖5 鑄件的縮松縮孔分布情況

3 改進(jìn)優(yōu)化方案的模擬分析與生產(chǎn)驗(yàn)證

3.1 工藝改進(jìn)方案

針對(duì)初始生產(chǎn)方案出現(xiàn)的問題，提出了優(yōu)化改進(jìn)方案，如圖6 所示。具體改進(jìn)內(nèi)容如下：一是將橫澆道改為直線式分布于鑄件的正中間，其作用是改變金屬液充型順序并實(shí)施對(duì)中間相對(duì)較厚部位的補(bǔ)縮，且有利于渣氣上浮；二是鑄件兩側(cè)各設(shè)有加強(qiáng)連接筋，防止在冷卻凝固過程中因兩端壁厚較小而產(chǎn)生變形，同時(shí)保留并適當(dāng)加大了鑄件兩端兼具冒口作用的內(nèi)澆口，利于排渣出氣，且在冷卻凝固時(shí)可一定程度上對(duì)鑄件兩端實(shí)施補(bǔ)縮。

圖6 優(yōu)化改進(jìn)工藝方案

3.2 模擬分析及生產(chǎn)驗(yàn)證

3.2.1 充型溫度場(chǎng)分布

圖7a～d 為改進(jìn)工藝方案不同時(shí)刻的充型溫度場(chǎng)分布圖。可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)充型過程歷經(jīng)6.0s；當(dāng)充型時(shí)間為1.5s 時(shí)（即充型率為25%），中間鑄件近乎被充滿；緊接著從橫澆道流經(jīng)兩側(cè)鑄件的中心部位，直至6.0s 時(shí)整個(gè)型腔及澆注系統(tǒng)已被填滿，即充型過程結(jié)束。可以看出在整個(gè)充型過程沒有出現(xiàn)明顯的澆不足、裹氣、夾雜等不良現(xiàn)象，且金屬液流動(dòng)比較平穩(wěn)，氧化夾渣等雜質(zhì)易于從鑄件兩端圓管處冒口部位上浮，從而保證了該處渣氣孔減少。根據(jù)圖8 凝固時(shí)間可以分析出鑄件基本遵循自下向上的凝固順序，利于保證鑄件的致密度；且鑄件的兩端和下端幾乎同時(shí)凝固，有效地避免兩側(cè)因凝固時(shí)產(chǎn)生的收縮力對(duì)鑄件的成型精度造成一定的影響，從而提高了鑄件成形性。

圖7 工藝優(yōu)化方案的充型溫度場(chǎng)分布

圖8 凝固時(shí)間

3.2.2 縮松縮孔分析

圖9 為改進(jìn)方案后的縮松縮孔缺陷分布圖，可以看出除澆口中心部位有較為嚴(yán)重的縮孔外，其余部位未見有明顯的不良缺陷產(chǎn)生，尤其是鑄件的兩端及下部等初始方案易產(chǎn)生缺陷部位。因此，針對(duì)限位隔膜閥卡式本體鑄件采用改進(jìn)后方案生產(chǎn)明顯優(yōu)于初始方案，出品率也得到大幅提升。

圖9 工藝改進(jìn)方案的縮松縮孔分布圖

3.2.3 生產(chǎn)驗(yàn)證

按改進(jìn)方案進(jìn)行了限位隔膜閥卡式本體鑄件的熔模鑄造生產(chǎn)，機(jī)加工后采用X 射線透視檢測(cè)（見圖10），未見初始方案如圖4 所示的不良缺陷，裝配試壓無滲漏，達(dá)到質(zhì)量要求。

圖10 改進(jìn)方案所制零件的X 射線透視檢測(cè)照片

4 結(jié)論

研究分析了限位隔膜閥卡式本體鑄件的初始方案所生產(chǎn)鑄件的缺陷及其產(chǎn)生原因，并針對(duì)性設(shè)計(jì)了改進(jìn)方案，利用ProCAST 凝固模擬軟件分析了原始方案和優(yōu)化改進(jìn)方案，生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果表明，按改進(jìn)方案生產(chǎn)的限位隔膜閥卡式本體鑄件質(zhì)量完全達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求。