李世星，周大慶

（泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000）

整體式橋殼主要應用于特種汽車承重橋，為車橋系統(tǒng)中核心零部件之一，其使用工況包括高原、鹽堿、荒漠等多地形、多緯度地區(qū)，滿載狀況下需要承受較高的沖擊載荷。某型整體式橋殼鑄鋼件在鑄造時，因支座等部位熱節(jié)孤立，不易獲得致密組織，影響整體式鑄造橋殼的機械性能，無法滿足鑄件使用要求。

此型整體式橋殼材質選用ZG40Mn，鑄件結構如圖1 所示，尺寸約2 160 mm×400 mm×314 mm，壁厚15 mm～25 mm，鑄件毛坯重約300 kg.

圖1 鑄件三維模型示意

1 原始工藝方案及分析

圖2 所示為整體式橋殼原鑄造工藝方案。該方案采用水玻璃砂工藝，兩箱造型，砂型及型芯表面涂刷醇基涂料2 遍。橋包上方設置φ70 mm 明冒口一個，橋殼的支座上方設置230 mm×75 mm 腰形暗冒口一個，橋殼兩端元寶型轉向節(jié)端口分別放置φ120 mm×200 mm 明冒口一個，橋殼φ30 mm 以下孔均不鑄出。此鑄件采用常規(guī)中注式澆注系統(tǒng)，橫澆道、內澆道均開設在中分面，澆注系統(tǒng)橫截面積比為∑A直∶∑A橫∶∑A內=1.0∶2.0∶1.4，以上設置均有利于鑄件的補縮與凝固[1-3]。

圖2 原始鑄造工藝方案

2 存在問題及分析

對原始工藝進行模擬，并結合實際生產發(fā)現(xiàn)，原工藝方案存在以下問題：

1）以原工藝生產的鑄件側壁管壁凸臺部位鉆孔后部分孔內存在縮孔缺陷。如圖3 所示，橋殼支座在固相率75%以上存在孤立液相區(qū)，極易形成缺陷。經試制成品現(xiàn)場鉆孔后確認，支座部分存在部分輕微縮孔、縮松缺陷；

2）推力桿支座存在缺陷。如圖3 所示，鑄件的推力桿支座因冒口1 放置位置，導致底部無法補縮到位，經鉆孔后發(fā)現(xiàn)部分縮孔缺陷；

圖3 原工藝方案凝固模擬結果

3）由于鑄件本身長約2 160 mm 以及原鑄造工藝設計的直通型的澆注系統(tǒng)，導致加工時部分橋殼有超差變形、無法加工的情形。

模擬結果表明：橋殼橋包因較薄優(yōu)先凝固后橋殼兩側管壁陸續(xù)凝固，當固相率達到75%～90%時，圖4 所示部位均出現(xiàn)孤立的液相區(qū)且這些孤立的液相區(qū)相繼出現(xiàn)在鑄件的內部，冒口無法提供有效補縮，極易導致在凝固結束后這些部位均會出現(xiàn)縮孔或縮松等缺陷。

圖4 原工藝方案縮孔縮松判據(jù)

3 工藝改進措施及結果

針對模擬結果及試制過程中支座或凸臺部位出現(xiàn)的縮孔、縮松缺陷，將現(xiàn)有冒口尺寸進行相應的調整，并輔以外冷鐵調整鑄件周圍溫度場[4]。對于部分鑄件變形的情形，將部分橫澆道改變?yōu)榍蹱頪5]，降低澆注系統(tǒng)對鑄件收縮變形的影響，如圖5 所示：

圖5 改進后鑄造工藝方案

1）將圖2 中1 號冒口增大為230 mm×90 mm×150 mm，增加冒口補縮能力；

2）將圖2 所示序號4 澆道與鑄件側邊凸臺增加2 個側邊冒口，尺寸為φ100 mm×250 mm，增加冒口對鑄件熱節(jié)的補縮；

3）將圖2 所示序號4 內澆道數(shù)量增加為4 個；所示序號3 橫澆道改變?yōu)榍蹱?，降低細長鑄件變形傾向；

4) 在橋殼側壁凸臺部位增加多個外冷鐵調整鑄件溫度場、增加凸臺厚大部位的激冷作用，有利于調整鑄件凝固順序，減少集中缺陷聚集；

5）調整橋殼模型尺寸，將橋包模型外皮增加補正量1mm，主減裝配面端口側面尺寸整體補正+2mm，減少因變形超差導致橋殼端面無法鉆孔的情形。

圖6 所示為整體式橋殼優(yōu)化方案凝固模擬結果，表明凝固過程鑄件內部無孤立液相區(qū)，冒口為最后凝固區(qū)域，缺陷都移到冒口內部，改進后鑄造工藝除部分離散缺陷，鑄件本體基本無明顯缺陷。

圖6 整體式橋殼優(yōu)化方案凝固模擬結果

4 實際生產驗證

實際澆注單件產品如圖7 所示，消耗鋼液重量約450 kg，其中鑄件約280 kg，鑄件工藝出品率約為62%.首批試生產共計6 件鑄件，經落砂、切割、清理、打磨等工序后對鑄件進行外觀、無損檢測及水壓滲漏實驗，檢測結果良好，滿足使用要求。另隨機挑選1 件橋殼進行切割驗證，肉眼檢測無可見缺陷，探傷合格。

圖7 鑄件成品

5 結語

針對前期試制過程中鑄件出現(xiàn)的部分缺陷，利用數(shù)值模擬技術模擬了整體式橋殼初始鑄造工藝方案并進行工藝修改及試制驗證，結果表明：

1）增加、增大冒口，增加外冷鐵，采用優(yōu)化后的澆冒系統(tǒng)，有效改善了鑄件的內部質量，較好解決了鑄件縮孔及縮松缺陷。鑄件工藝出品率為62%，整體式橋殼鑄件的縮孔缺陷得到了較好的控制。

2）經樣件試制驗證，數(shù)值模擬軟件可以比較準確模擬凝固過程中的缺陷位置，并能根據(jù)原有方案中缺陷位置進行工藝方案優(yōu)化，使鑄造缺陷保持在企業(yè)可接受范圍內。通過鑄造過程數(shù)值模擬改進及樣件試制有助于企業(yè)技術人員提高鑄件開發(fā)能力，降低新產品開發(fā)風險。