姬愛青,邢 偉,馬素娟,秦學(xué)義,蔣 輝,宋學(xué)恩,劉繼波,陳秀明
(1.濰柴重機(jī)股份有限公司,山東濰坊 261108;2.濰柴動力股份有限公司山東濰坊 261108)
關(guān)鍵字:快速制造;鑄造仿真;球鐵曲軸
主要的工藝環(huán)節(jié)有工藝方案選擇,鑄造工藝設(shè)計,鑄造C AE仿真模擬、快速模具制作,組芯澆注,鑄件性能檢測等幾方面。
1)采用金屬模樣的砂型鑄造傳統(tǒng)工藝方案
對于此類大型球鐵曲軸鑄件,目前主要應(yīng)用的鑄造工藝是砂型鑄造。通常選用金屬工裝制作模樣。
優(yōu)點:工裝制作精度高,使用周期長,適用于大批量生產(chǎn)。
缺點:金屬模樣費(fèi)用高達(dá)30萬/套,對小批量樣件生產(chǎn)而言,分?jǐn)偟矫考a(chǎn)品上的模樣費(fèi)用明顯過高,一般不易接受。
2)采用無模制造技術(shù)制作砂型
無模制造技術(shù)是如今先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分之一,最大的特點在于其制造過程中不需要使用其他工具,由零件的C AD模型直接輸入系統(tǒng),驅(qū)動設(shè)備即可完成產(chǎn)品模型的成型制造[1]。再將其與傳統(tǒng)鑄造工藝進(jìn)行結(jié)合,即可完成鑄件的快速制造。
優(yōu)點:制作周期短,可使用減材技術(shù),三維工藝設(shè)計完畢后,3D打印砂塊,組裝把緊后,澆入鐵水,經(jīng)過一系列處理即可獲得優(yōu)良鑄件。
而后,Wu等[13-14]給出PD-HFLTS的期望值方差其中,函數(shù)Δ-1是二元語義中的相關(guān)函數(shù),可以將語言術(shù)語轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)值,具體請參見文獻(xiàn)[20],并給出PD-HFLTS的大小比較規(guī)則。
缺點:鑄件尺寸較大,砂型制作需要分段制作,增加了澆注過程中的跑火風(fēng)險。砂型、砂芯均為一次性使用,生產(chǎn)成本較高。
3)選用優(yōu)質(zhì)木材,利用數(shù)控加工技術(shù)制作木質(zhì)模樣
優(yōu)點:制作周期短,生產(chǎn)成本低,又解決了普通木質(zhì)模樣生產(chǎn)過程中,鑄件尺寸精度低,加工余量大的問題,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。
樣件試驗是新產(chǎn)品開發(fā)中的一個重要過程,后期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可能會進(jìn)行較大改進(jìn)。如果使用3D打印砂芯,砂型需要分為6段,每段成本在4 000元左右,砂型無法重復(fù)利用,且整個砂型加工時間較長??紤]到模樣制作周期及制作成本,采用數(shù)控加工技術(shù),快速制作木質(zhì)模樣的制作工藝流程,再與傳統(tǒng)鑄造工藝相結(jié)合,快速高效地制作出優(yōu)質(zhì)鑄件。
內(nèi)澆道設(shè)計在曲軸的曲柄處,為保證鐵液充型平穩(wěn),防止氣孔缺陷的產(chǎn)生,采用封閉式澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)截面積為 4 200:3 600:13 000=1.17:1:3.61,為確保鑄件關(guān)鍵部位不出現(xiàn)縮松缺陷,在鑄件的主軸頸、拐軸頸處、曲柄等厚大位置設(shè)置隨形冷鐵,如圖2所示。以主軸中心線、拐軸中心線為分型面,拐軸成型部分設(shè)計使用冷鐵芯。在澆注端軸頭處設(shè)計大冒口,冒口尺寸為¢280 mm×300 mm,以便進(jìn)行補(bǔ)縮。采用平澆立冷工藝,確保獲得致密組織。鑄造工藝如圖3所示。
圖2 澆冒系統(tǒng)及冷鐵布置圖
圖3 鑄造工藝設(shè)計簡圖
1)根據(jù)鑄造工藝設(shè)計,建立鑄件的上、下模板三維模型,如圖4所示。以主軸中心線、拐軸中心線為曲軸鑄件分型面,沿模型分型分為上模和下模。有些分入上下模的曲柄和連桿軸頸等結(jié)構(gòu)造型過程中會影響起模,因此將這部分結(jié)構(gòu)以小活塊的形式從模樣上分出來,為防止活塊多次使用磨損嚴(yán)重,將活塊與模樣接合面使用鋼板鑲嵌,提高了模樣制作精度。
圖4 模板工裝三維模型
2)利用數(shù)控加工技術(shù),快速制作木質(zhì)模樣。
合理利用現(xiàn)有廢棄砂箱及模底板,選用優(yōu)質(zhì)木材,按照三維模型進(jìn)行加工制作模樣,加工后的木質(zhì)模板如圖5所示。為保證模樣表面質(zhì)量及粗糙度,需要對加工過程中刀具進(jìn)給量進(jìn)行合理設(shè)計。
對加工完成后的木質(zhì)模樣進(jìn)行檢驗,尺寸均符合要求。據(jù)統(tǒng)計,制作整個木質(zhì)模樣加工工時48 h,加上前期下料準(zhǔn)備時間20 h,整個模樣的制作時長僅68 h,大大節(jié)省了工裝制作時間。
圖5 加工后的木質(zhì)模板
利用鑄造C AE進(jìn)行模擬分析,圖6為凝固模擬過程,可以看出,在曲軸凝固過程中,冷鐵將主軸頸與曲柄連接處、連桿軸徑與曲柄連接處等熱節(jié)部位轉(zhuǎn)移,最后凝固的部位被移動至曲柄等非重要部位,在頂端大冒口補(bǔ)縮和球鐵材料自身的石墨膨脹自補(bǔ)縮的共同作用下,球鐵曲軸本身補(bǔ)縮良好,沒有出現(xiàn)縮孔及縮松現(xiàn)象。
按照工藝方案設(shè)計,使用堿性酚醛樹脂砂進(jìn)行造型,對砂型進(jìn)行刷涂、組芯、研箱、合箱等操作。采用科德威喂線站進(jìn)行喂線球化處理,采用J F/M g20型號的球化線,球化線長度為16 mm~23 mm,球化線速為20 m/m i n,孕育線長度約為5 m,孕育線速為18 m/m i n.澆注完成后進(jìn)行清理、拋丸,熱處理,獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。
圖6 鑄造CAE凝固過程模擬
為了使鑄件獲得良好鐵水補(bǔ)縮,頂部采用大冒口,平澆立冷工藝。即澆注完畢后,將澆口箱、溢流鐵挑下后,用行車吊起砂箱澆注端,整個砂箱在重力作用下翻轉(zhuǎn)成垂直狀態(tài),放入特制軌道,進(jìn)行冷卻,鑄件在重力作用下進(jìn)行凝固和補(bǔ)縮。
對曲軸進(jìn)行三維掃描,分析,鑄件尺寸合格。對主軸頸、拐軸頸、曲柄等部位進(jìn)行解剖觀察,均無縮松缺陷,內(nèi)部質(zhì)量良好。鑄件理化檢測及金相檢測結(jié)果表明,球化率為95%,抗拉強(qiáng)度達(dá)到920 M P a,硬度為288 H B,滿足Q T800-2的要求。經(jīng)化驗檢查、超聲波探傷、切削加工等,鑄件成分及性能均滿足要求。
1)相對于傳統(tǒng)金屬模樣鑄造工藝而言,采用快速成型制作木質(zhì)模樣,工藝調(diào)整速度快,制作周期短,從工藝設(shè)計到木質(zhì)模樣制作,最后到生產(chǎn)出合格鑄件,僅用15天時間,大幅度減小了試制周期和生產(chǎn)成本。后期如果需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,可以通過直接改進(jìn)木制模型來實現(xiàn)。
2)選用合理的工藝參數(shù),采用平澆立冷工藝,頂部設(shè)計大冒口工藝,進(jìn)行充分補(bǔ)縮,可提高工藝成品率并獲得良好致密的組織。
3)試制完成的球鐵曲軸表面質(zhì)量良好,無縮孔縮松缺陷,組織和力學(xué)性能達(dá)到Q T800-2要求。
綜合比較,對于單件小批量生產(chǎn)曲軸鑄件來說,采用木質(zhì)模樣快速成型技術(shù)是個不錯的選擇。