付海昌，楊 軍

（1.大連機(jī)車車輛有限公司鑄鋼車間，遼寧大連 116021；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

日本混鐵水車項目主軸承體鑄件質(zhì)量要求較高，鑄件整體要求超聲波探傷，如果缺陷超過一定范圍鑄件予以報廢。

圖1為混鐵水車主軸承零件結(jié)構(gòu)圖。該產(chǎn)品在前期生產(chǎn)試制中，在φ900 mm瓦口端面上的冒口根部出現(xiàn)嚴(yán)重的縮孔，期間雖對冒口尺寸進(jìn)行調(diào)整但也沒有完全解決該缺陷，經(jīng)過復(fù)雜的焊修后的鑄件，在超聲波探傷中有2件不合格而導(dǎo)致報廢。針對上述出現(xiàn)的問題，經(jīng)過查閱相關(guān)資料和現(xiàn)場研究，認(rèn)為該主軸承體為厚壁鑄件，由于鑄件壁厚過厚容易造成鑄件凝固順序發(fā)生變化，從而導(dǎo)致較大縮孔的產(chǎn)生，通過對主軸承體工藝采用Pro-e建模后用MAGMA模擬軟件進(jìn)行凝固模擬，也證實了分析的結(jié)論。根據(jù)得出的結(jié)論對該主軸承體鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn)，主要是對冒口進(jìn)行調(diào)整，又采用模擬軟件進(jìn)行模擬分析，最終確定了其工藝，解決了縮孔缺陷。

1 主軸承體的工藝設(shè)計思路

圖1 混鐵水車主軸承體零件結(jié)構(gòu)

日本混鐵水車項目主軸承體零件重2 935 kg，鑄件重3 310 kg，整體以中心為對稱結(jié)構(gòu)，形狀結(jié)構(gòu)比較簡單，但是主要壁厚在100 mm以上，相交部位壁厚可達(dá)300 mm以上，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)產(chǎn)品厚壁的結(jié)構(gòu)，制定了工藝設(shè)計方案：工藝縮尺為20‰，加工量為10 mm，以寬度685 mm中心為分型分模面；為了避免鑄件變形在φ900 mm瓦口處設(shè)置兩道130 mm/160 mm×60 mm的梯形拉筋，由于瓦口高度較高，則該處采用砂芯成型，兩道拉筋在砂芯內(nèi)做出；另外分型面處有兩個凹槽采用砂芯成型，其他特殊部位采用砂胎或活塊成型；澆注系統(tǒng)采用耐火磚管組合而成；鑄件凝固補(bǔ)縮采用冒口和冷鐵相結(jié)合的方案，由于該鑄件壁厚厚大，尤其是φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面相交部位更為厚大，極易在鑄件內(nèi)部出現(xiàn)縮孔。最好的工藝措施是要盡可能保證鑄件同時凝固，需要在上型φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面上設(shè)置冒口，在下型φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面的底面和側(cè)面放置冷鐵，通過兩種工藝結(jié)合來保證鑄件內(nèi)部致密程度，要能夠?qū)崿F(xiàn)順序凝固。

2 主軸承體鑄造工藝的改進(jìn)

2.1 原工藝方案生產(chǎn)試制情況

原工藝方案在上型φ900 mm瓦口面放置2個420 mm/460 mm×260 mm/300 mm×600 mm和1個440mm/480mm×260mm/300mm×600mm腰形明冒口，在厚90mm的底座面放置3個360 mm/400 mm×180/220 mm×600 mm的腰形明冒口，所有冒口下部鑄件部分均有補(bǔ)貼；在下型的底面和側(cè)面放置冷鐵。澆注系統(tǒng)為耐火磚管組對而成。澆冒口和冷鐵情況如圖2所示。

圖2 主軸承體原工藝方案冒口和冷鐵布置

按照原工藝方案進(jìn)行了前期生產(chǎn)試制，其間生產(chǎn)了2件，澆注后的鑄件在進(jìn)行冒口切割時發(fā)現(xiàn)440 mm/480 mm×260 mm/300 mm×600 mm的腰形冒口根部出現(xiàn)嚴(yán)重的縮孔缺陷，該縮孔深入至鑄件內(nèi)部，經(jīng)過對缺陷的清理后部位體積很大，具體尺寸如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4中圈示位置即為縮孔缺陷，可以看出該縮孔缺陷問題很嚴(yán)重，由于該產(chǎn)品是日本混鐵水車項目上的重要部件，因此對鑄件的質(zhì)量要求嚴(yán)格，需要對鑄件加工面進(jìn)行超聲波探傷，如果不合格客戶會拒收鑄件。針對該鑄件在質(zhì)量檢查方面的特殊要求，對前期試制的2件鑄件的缺陷需要進(jìn)行細(xì)致的焊修，雖能進(jìn)行焊修，但是其工作量和材料成本非常大，而且焊修后的鑄件內(nèi)部質(zhì)量也存在一些問題，在后期的超聲波探傷中不能過關(guān)，這樣大大影響了該產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度和交貨時間。

圖3 主軸承體冒口根部缺陷大小

圖4 主軸承體冒口根部缺陷

2.2 主軸承體鑄造缺陷原因分析

針對該鑄件在前期試制中出現(xiàn)的鑄造缺陷問題，經(jīng)過分析初步確定了產(chǎn)生缺陷的原因，主要是以下幾方面：

1）鑄件結(jié)構(gòu)的影響。該鑄件屬于厚壁鑄件，鑄件凝固區(qū)域的大、小，固然與合金的結(jié)晶溫度范圍的寬、窄密切相關(guān)，但也和鑄件中溫度場的變化有密切關(guān)系。當(dāng)鑄件厚到一定程度時，厚壁件比薄壁件含有的熱量多得多，當(dāng)厚壁件的液相邊界越向中心推移，鑄件內(nèi)部與鑄件—砂型界面上的溫度差比薄壁件減小越多。結(jié)果，厚壁件橫截面上的溫度梯度比薄壁件就小得多，厚壁件的凝固區(qū)域則相應(yīng)地增寬，補(bǔ)縮就很困難。

2）冒口設(shè)計不合理。在設(shè)計時可能是冒口尺寸有問題。冒口偏小，又加之冒口的斜度太小，而冒口所要補(bǔ)縮的鑄件厚大，局部過熱，凝固緩慢。因此在凝固過程中冒口沒有壓力差而先凝固，冒口內(nèi)的金屬液無法對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮而導(dǎo)致縮孔的形成。

3）冒口溫度過低。在鑄件瓦口處放置三個腰形冒口，而澆注系統(tǒng)設(shè)在另外兩個冒口處，這樣鋼水直接進(jìn)入那兩個冒口使得溫度過熱，而該冒口的鋼水是最后進(jìn)入的溫度相對較低，因此該冒口會先凝固發(fā)生了縮孔。

4）澆注的不合理。補(bǔ)澆冒口量少，只有約100mm左右，補(bǔ)澆的鋼水太少，沒有給冒口提高溫度，而且澆注該鑄件時補(bǔ)澆只有一次。

另外通過對前期鑄造工藝進(jìn)行分析，同時查閱相關(guān)資料，認(rèn)為前期工藝設(shè)計存在一定的不足。由于該主軸承體壁厚很厚，鑄件越厚，需要的補(bǔ)貼斜率越大。但是，根據(jù)實踐證明，最有效的方法是施以外部條件，改變其凝固方式，即：采用冷鐵激冷或強(qiáng)制冷卻，使厚壁件的凝固區(qū)域變窄，再加以適當(dāng)?shù)拿翱诤脱a(bǔ)貼進(jìn)行補(bǔ)縮，其效果最為明顯。

2.3 主軸承體首次工藝改進(jìn)、生產(chǎn)試制和數(shù)值模擬

2.3.1 主軸承體首次工藝改進(jìn)

通過對該主軸承體缺陷問題原因的分析，認(rèn)為該工藝中的冒口尺寸不夠，補(bǔ)縮能力不足，不能保證鑄件的補(bǔ)縮，還有澆注后冒口中的鋼水溫度不夠，使得冒口補(bǔ)縮效果不好。因此需對原工藝進(jìn)行調(diào)整，主要包括以下兩個方面：

對三個腰形明冒口中的中間冒口和冒口下面的補(bǔ)貼進(jìn)行調(diào)整。冒口調(diào)換為φ350mm/φ440mm×750 mm明冒口，其補(bǔ)貼寬度隨冒口根部尺寸而增大，高度向下延長50 mm；其他冒口高度均提高到750 mm.

增加補(bǔ)澆冒口的鋼水量和次數(shù)。這次澆注只澆到冒口高度一半，然后從冒口進(jìn)行補(bǔ)澆，澆滿后等待一段時間，然后再對其補(bǔ)澆。

改進(jìn)方案確定后對其工藝進(jìn)行調(diào)整，具體情況如圖5所示。

圖5 主軸承體首次工藝改進(jìn)情況

2.3.2 主軸承體首次工藝改進(jìn)后生產(chǎn)試制

按照改進(jìn)的工藝方案生又生產(chǎn)試制了2件，隨后對鑄件進(jìn)行冒口切割，結(jié)果又在φ350mm/φ440mm×750 mm明冒口的根部出現(xiàn)縮孔，該縮孔仍深入至鑄件內(nèi)部，如圖6所示。

圖6 主軸承體改進(jìn)工藝后冒口根部缺陷情況

此次生產(chǎn)的2件鑄件雖經(jīng)大量焊修，但在加工后的超聲探傷中因為內(nèi)部存在大量缺陷和焊修缺陷，導(dǎo)致了這2件鑄件報廢。

2.3.3 主軸承體首次工藝改進(jìn)數(shù)值模擬

為了了解鑄件的凝固過程和工藝情況，通過對首次改進(jìn)工藝?yán)肞ro-e建模軟件進(jìn)行三維實體建模，運用MAGMA模擬軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 主軸承體首次工藝改進(jìn)模擬結(jié)果

通過圖7中的模擬結(jié)果可以看出此次工藝改進(jìn)效果不是很好，在鑄件有冒口的部位都存在大的縮孔，這個結(jié)果和實際生產(chǎn)中所出現(xiàn)的縮孔缺陷相符，這為下一步工藝改進(jìn)有了參考依據(jù)。

2.4 主軸承體再次工藝改進(jìn)、數(shù)值模擬和生產(chǎn)試制

2.4.1 主軸承體再次工藝改進(jìn)

通過首次工藝方案改進(jìn)在實際生產(chǎn)和數(shù)值模擬過程的結(jié)果可以看出，即使增大了冒口的體積和冒口內(nèi)的鋼水溫度還是不能解決縮孔。首次改進(jìn)中只考慮了產(chǎn)生縮孔部位的鑄件厚大，認(rèn)為增加補(bǔ)貼可以把前期產(chǎn)生縮孔的位置移到補(bǔ)貼中，而且冒口增大和補(bǔ)澆可以保證補(bǔ)縮，但是鑄件的實際凝固情況并不是想象那樣。

為了保證再次工藝改進(jìn)的效果，需要對整個鑄件結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行細(xì)致分析，一致認(rèn)為在φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面相交部位鑄件過于厚大，采用2個腰形冒口無法滿足此處的補(bǔ)縮要求，因為兩個冒口把熱量分散，尤其是在厚90 mm底座面上的360 mm/400 mm×180 mm/220 mm×750 mm的明冒口在鑄件凝固之前先凝固，倒吸鑄件內(nèi)的鋼水，而φ350 mm/φ440 mm×750 mm明冒口補(bǔ)縮能力也無法滿足，則在該冒口和鑄件內(nèi)形成縮孔。

根據(jù)上述分析和現(xiàn)有模具情況認(rèn)為還是在補(bǔ)縮的冒口上進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過工藝討論提出下一步改進(jìn)方案，圖8所示為改進(jìn)后的工藝情況。

圖8 主軸承體再次工藝改進(jìn)情況

此次改進(jìn)是把φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面相交部位兩個腰形冒口改成一個方形明冒口，尺寸為350 mm/490 mm×410 mm/550 mm×800 mm，原來兩個腰形補(bǔ)貼也去除；在φ900 mm瓦口面上的2個腰形冒口尺寸改成300 mm/440 mm×450 mm/590mm×800mm，下部補(bǔ)貼也相應(yīng)增加；在厚90mm底座面兩個冒口尺寸改為180 mm/320 mm×360 mm/500 mm×800mm，補(bǔ)貼尺寸不變；另外在φ900mm瓦口面下型內(nèi)弧面和厚60 mm的肋上放置條形冷鐵，配合原來兩處放冷鐵部位使下型鑄件有好的激冷效果，保證上型冒口得到好的補(bǔ)縮條件。

2.4.2 主軸承體再次工藝改進(jìn)后的數(shù)值模擬

由于首次工藝改進(jìn)后運用MAGMA模擬軟件進(jìn)行凝固模擬，其結(jié)果和實際生產(chǎn)基本相符，證明了數(shù)值模擬對鑄造生產(chǎn)很有幫助。為了驗證此次工藝改進(jìn)后的鑄件凝固情況，在工藝改進(jìn)方案后進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，以此結(jié)果來判定工藝改進(jìn)情況。如果模擬結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果，即對模具進(jìn)行調(diào)整和生產(chǎn)試制；如果模擬結(jié)果不理想，還需對工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。此次工藝改進(jìn)后的模擬結(jié)果如圖9所示。

通過圖9中的模擬結(jié)果可以看出此次工藝改進(jìn)效果比較理想，在鑄件內(nèi)部和冒口根部存在分散小的缺陷，較前次模擬結(jié)果有了很大的改觀，另外產(chǎn)生缺陷部位多集中在冒口附近，如果在實際生產(chǎn)中采用補(bǔ)澆冒口和加放鉻鐵礦砂等手段即可進(jìn)一步消除其缺陷，因此一致通過采用該工藝方案生產(chǎn)。

2.4.3 主軸承體再次工藝改進(jìn)后生產(chǎn)試制

按照新的工藝方案對模具進(jìn)行調(diào)整，隨后又試制澆注了2件，待對鑄件切割冒口后觀察沒有再出現(xiàn)縮孔缺陷，清理干凈后的鑄件對其放置冷鐵部位進(jìn)行磁粉探傷后也沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，經(jīng)過機(jī)械加工后進(jìn)行超聲波的探傷沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷，探傷結(jié)果符合客戶要求，保證了鑄件按時交貨，此次改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖9 主軸承體再次工藝改進(jìn)數(shù)值模擬

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1）對于結(jié)構(gòu)簡單、壁厚厚大和鑄造質(zhì)量要求高的大型鑄鋼件，工藝設(shè)計時需要考慮周全，冒口的設(shè)計尤為重要，另外通常的有效補(bǔ)縮距離概念在這里也不適用，應(yīng)該以冒口補(bǔ)縮和厚壁部位的自補(bǔ)縮為基礎(chǔ)混合設(shè)計冒口位置及尺寸。

2）做為鑄鋼件工藝設(shè)計的關(guān)鍵部分，冒口的設(shè)計，距離較近的冒口相互之間是存在影響的。改變其中一個冒口，則必然影響另一個冒口的補(bǔ)縮范圍。

3）通過對MAGMA模擬軟件在主軸承體工藝改進(jìn)中的應(yīng)用，證明模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)較相符，可以減少試制次數(shù)也為其他類似產(chǎn)品的工藝設(shè)計及實際生產(chǎn)提供了借鑒意義。

3.2 建議

在鑄造領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)經(jīng)驗掌握不夠的年輕工藝師應(yīng)該學(xué)習(xí)鑄造模擬軟件應(yīng)用技術(shù)，對于設(shè)計后的工藝進(jìn)行模擬分析來提高鑄造工藝的可行性。

［1］侯英瑋.材料成型工藝［M］.北京：中國鐵道出版社,2002.

［2］李弘英，趙成志.鑄造工藝設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］丁根寶.鑄造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［5］柳吉榮，李新陽.鑄造工（高級）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2006.