對均衡凝固理論短薄寬冒口頸設(shè)計(jì)的合理性驗(yàn)證

張 華，李 日，吳騰飛，梁子尚，陳登寧

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2.保定寧信新型材料有限公司，河北保定 072350）

1 問題的提出

由均衡凝固理論[1]可知，鑄鐵件冒口頸設(shè)計(jì)中要求采用短薄寬冒口頸，筆者在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)采用該方法設(shè)計(jì)的冒口頸真正模數(shù)有時(shí)小于其理論模數(shù)，以本文中試樣1 為例，試樣為中等壁厚均勻密實(shí)體鑄件，結(jié)構(gòu)和尺寸分別如圖1.a、表1 所示。

表1 試樣結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 試樣結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)均衡凝固理論對試樣1 進(jìn)行計(jì)算，得到冒口頸模數(shù)MN1=0.2 cm，參照短薄寬冒口頸設(shè)計(jì)方法有：

e1=(2～2.5)MN1=(4～5)mm，取e1=4 mm；

W1≥5e1=20 mm，取W1=20 mm；

L1<3e1=12 mm，取L1=7.5 mm。

式中,e為冒口頸厚度（mm）；W為冒口頸寬度（mm）；L為冒口頸長度（mm）。

由此得到如圖2 所示冒口頸結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)該冒口頸結(jié)構(gòu)，再次計(jì)算冒口頸模數(shù)為：

圖2 試樣1冒口頸

兩冒口頸模數(shù)差：

相同情況出現(xiàn)在了試樣2 冒口頸設(shè)計(jì)中，試樣2 為中等壁厚均勻稀疏體鑄件，結(jié)構(gòu)和尺寸分別如圖1b、表1 所示，其質(zhì)量周界商（Qm）大于試樣1，但其冒口頸計(jì)算情況卻與試樣1 相同。因?yàn)槟?shù)對冒口設(shè)計(jì)很重要，而理論冒口頸模數(shù)與實(shí)際冒口頸模數(shù)之間存在一定差值，該情況是否會(huì)導(dǎo)致冒口頸設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，均衡凝固理論短薄寬冒口頸是否合理需要進(jìn)一步驗(yàn)證，并與其他形狀的冒口頸進(jìn)行對比。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 不同冒口頸設(shè)計(jì)

基于以上思考，在保證冒口頸模數(shù)相等的情況下對兩個(gè)試樣分別設(shè)計(jì)圓柱體、長方體、正方體冒口頸，采用一箱四件，垂直分型澆注，與短薄寬冒口頸進(jìn)行對比。由于兩試樣冒口頸模數(shù)相同MN1=MN2=0.2 cm，所以由此得到相同尺寸的冒口頸，最終得到表2 中所示各冒口頸尺寸。根據(jù)均衡凝固理論設(shè)計(jì)冒口體，每一組實(shí)驗(yàn)應(yīng)用四個(gè)相同鑄件并采用相同尺寸冒口體，控制實(shí)驗(yàn)變量為冒口頸形狀，最終用UG 造型得到如圖3 所示實(shí)驗(yàn)工藝結(jié)構(gòu)圖。

表2 各冒口頸尺寸

圖3 不同冒口頸驗(yàn)證工藝圖

2.2 工藝模擬結(jié)果

應(yīng)用ProCAST 軟件對實(shí)驗(yàn)工藝進(jìn)行模擬，參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 工藝模擬參數(shù)設(shè)置

模擬完成后鑄件縮松、縮孔缺陷分別如圖4.a、b 所示，分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)試樣四個(gè)鑄件內(nèi)部縮松體積于表4，為了清晰顯示鑄件內(nèi)部質(zhì)量情況將數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖如圖5 所示。

表4 模擬鑄件縮松體積 (cm3）

圖4 實(shí)驗(yàn)工藝模擬結(jié)果

圖5 模擬中縮松體積

由模擬結(jié)果可知，鑄件內(nèi)部沒有集中縮孔缺陷，但鑄件均有縮松缺陷，兩試樣中均是短薄寬冒口頸補(bǔ)縮效果優(yōu)于其他形狀冒口頸，由此可見從模擬結(jié)果來看均衡凝固理論主張的短薄寬冒口頸設(shè)計(jì)合理?？紤]到模擬軟件與實(shí)際生產(chǎn)條件的差異性，決定實(shí)際澆注，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，看是否一致。

2.3 實(shí)際澆注實(shí)驗(yàn)

根據(jù)垂直分型的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采取水平造型垂直澆注的方法進(jìn)行。普通砂型鑄造，一箱四件，造好的型腔如圖6.a、b 所示。為了避免在垂直澆注時(shí)鐵液沿分型面溢出，在上下箱造好后對下箱每一處型腔都均勻涂抹封泥條，然后用定位銷和緊固螺栓對準(zhǔn)合箱。

為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，結(jié)合現(xiàn)場條件，對每一個(gè)試樣都造型三箱，如圖7 所示。澆注時(shí)為了減少鐵液溫度和冶金質(zhì)量對鑄件質(zhì)量的影響，用同一包鐵液進(jìn)行澆注，澆注的鑄件如圖8 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)造型圖（上、下箱）

圖7 實(shí)驗(yàn)全部砂箱

圖8 實(shí)驗(yàn)所有鑄件

清理后得到如圖9.a、b 所示鑄件。圖9.a 為試樣1 的鑄件，圖9.b 為試樣2 的鑄件，由圖可以看到鑄件冒口頸處斷面形狀分別為圓形、正方形、短薄寬和長方形。觀察發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)鑄件都在背部大平面中心處存在明顯縮凹（如圖10 所示），只是不同冒口頸的鑄件縮凹程度不同。采用在鑄件縮凹處打蠟的方法準(zhǔn)確測定縮凹的體積。

圖9 實(shí)際澆注鑄件

圖10 鑄件背部大平面處縮凹缺陷

2.4 鑄件縮凹體積測定

縮凹測定方法為：①將鑄件與冒口分離，用砂輪打磨鑄件殘留冒口頸和周圍毛刺；②稱量鑄件質(zhì)量m0；③融蠟，并滴于鑄件縮凹處；④待蠟?zāi)毯螅霉ぞ叽蚰サ舾哂阼T件平面的蠟，使蠟將縮凹剛好填滿；⑤稱量打蠟后的鑄件質(zhì)量m1；⑥求打蠟前后鑄件質(zhì)量差△m=m0－m1，并利用公式V=△m/ρ求出蠟燭體積，即為鑄件縮凹體積。得到各個(gè)鑄件縮凹值如表5 所示。

表5 不同冒口頸鑄件縮凹體積統(tǒng)計(jì)表 （mm3）

2.5 結(jié)果分析

為清晰顯示出各個(gè)冒口頸鑄件的縮凹體積情況，將表4 的數(shù)據(jù)以折線圖顯示，結(jié)果分別如圖11.a、b 所示。

結(jié)合表4 中數(shù)據(jù)和圖11 中縮凹體積變化情況可知：①對于試樣1，圓柱體、長方體和正方體冒口頸鑄件的縮凹值三箱均有較大波動(dòng)，而短薄寬冒口頸的鑄件則顯示基本穩(wěn)定。所以試樣1 中雖然短薄寬冒口頸的鑄件縮凹體積值不是所有鑄件中最小的，但考慮到其變化的平穩(wěn)性，可以基本判定短薄寬冒口頸對于均勻密實(shí)體鑄件設(shè)計(jì)合理。②對于試樣2，前兩箱鑄件體現(xiàn)規(guī)律明顯，其中短薄寬冒口頸鑄件縮凹體積值最小，即短薄寬冒口頸補(bǔ)縮效果最好。而在第三箱鑄件中，長方體冒口頸和正方體冒口頸鑄件縮凹值出現(xiàn)了較大幅度變化，分析可能由于現(xiàn)場操作等因素導(dǎo)致，所以該兩點(diǎn)不具有代表性，應(yīng)予以刪除，綜合比較下，對于試樣2 均勻稀疏體而言短薄寬冒口頸設(shè)計(jì)合理，補(bǔ)縮效果優(yōu)于其他形狀冒口頸。

圖11 不同冒口頸鑄件縮凹體積折線圖

此外，對兩個(gè)試樣不同冒口頸鑄件的縮凹體積平均值進(jìn)行匯總，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，在進(jìn)行平均值計(jì)算時(shí)將試樣2 第三箱長方體冒口頸和正方體冒口頸鑄件縮凹體積數(shù)據(jù)刪除，最終得到如圖12 所示的柱狀圖。由圖可以清晰看出無論是試樣1 均衡密實(shí)體鑄件還是試樣2 均勻稀疏體鑄件，均為短薄寬冒口頸鑄件的縮凹體積值最小，即短薄寬冒口頸補(bǔ)縮效果最好。由此，更進(jìn)一步說明均衡凝固理論中短薄寬冒口頸設(shè)計(jì)合理。

圖12 不同冒口頸鑄件縮凹體積平均值

3 結(jié)論

由以上分析可知，不論是均勻密實(shí)體還是均勻稀疏體鑄鐵件，在進(jìn)行冒口頸設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)采用均衡凝固理論短薄寬設(shè)計(jì)原則，相比于相同模數(shù)下的圓柱體、長方體和正方體冒口頸，短薄寬冒口頸體現(xiàn)出了較明顯的補(bǔ)縮優(yōu)勢，更能夠保證鑄件質(zhì)量穩(wěn)定性?？偠灾?，均衡凝固理論短薄寬冒口頸設(shè)計(jì)原則合理有效。

[1]魏兵,袁森,張衛(wèi)華.鑄件均衡凝固技術(shù)極其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1998:31-74.

[2]王文清,李魁盛.鑄造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2012:278-281.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì).鑄造分冊：第五卷鑄造工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003:281-394.

[4]曾學(xué)斌.鑄鐵均衡凝固理論及其應(yīng)用[J].中國鑄造裝備與技術(shù),1997(1):49-52.

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