重卡鑄件前伸梁的工藝改進

白利權

（陜西金鼎鑄造有限公司，陜西岐山 722408）

關鍵字：前伸梁；工藝改進；廢品率；冷鐵

某重型卡車上使用的前伸梁是一種典型的集成型支架，結構復雜，平板和凸臺相組合形成主體結構，前伸梁鑄件重量為43 kg，輪廓尺寸為633 mm×520 mm×217 mm，主要壁厚為10 mm，局部帶凸臺厚度達62 mm，屬于中小型鑄件產(chǎn)品，鑄件結構圖如圖1所示。由于鑄件與其他裝配件連接較多，要求不得有氣孔，砂眼，縮松等鑄造缺陷。

圖1 前伸梁產(chǎn)品結構

1 原生產(chǎn)工藝及存在的問題

1.1 原工藝

原工藝分型方式見圖2.在樣件試制階段采用木質(zhì)工裝生產(chǎn)，該件采用潮膜砂148K W線組織生產(chǎn)，砂箱內(nèi)尺寸為800 mm×600 mm，每型布置1件，產(chǎn)品主要模數(shù)大于0.63c m，鑄件凝固模數(shù)小于2.5 c m，不滿足無冒口鑄造條件，需設置冒口補縮，而由于產(chǎn)品結構原因，凸臺結構較多，平板和凸臺相組合處容易形成熱節(jié)，需采用冷鐵激冷，防止鑄件厚壁、熱節(jié)處縮松；根據(jù)分型面位置確定砂芯2個/件，無法出模區(qū)域1個，開檔空腔區(qū)域1個，采用樹脂砂手工制芯，根據(jù)順序凝固原則使用冷鐵16塊，φ50mm×35 mm冷鐵15塊，40 mm×90 mm×25 mm冷鐵1塊，冷鐵分布方式如圖3所示。澆注系統(tǒng)尺寸為：直澆口尺寸φ40mm×200mm，橫澆口尺寸35mm×25mm，內(nèi)澆口尺寸35 mm×8 mm，溢流冒口1個尺寸為φ70mm×80mm（冒口頸尺寸為30mm×12mm）.產(chǎn)品前期開發(fā)的木質(zhì)工裝工藝圖見圖4，型板布置圖見圖5.

圖2 原分型面位置

圖3 冷鐵放置位置三維示意圖

圖4 原工藝圖

圖5 原型板布置圖

1.2 存在的問題

1）因鑄件輪廓尺寸大，每件使用兩個砂芯，砂芯重約57.5 kg，重量較重，成本較高，工人勞動強度大，生產(chǎn)效率低（兩人需借助下芯工具將芯子下入型腔），下芯難度大；

2）生產(chǎn)時，在芯盒里放置14塊冷鐵，型腔放置2塊冷鐵，嚴重制約生產(chǎn)效率，冷鐵數(shù)量多，工人需打磨冷鐵，給冷鐵表面涂涂料，增加了工人的勞動強度；

3）鑄件在下芯過程中容易產(chǎn)生擠砂、掉砂、下芯不到位等現(xiàn)象，致使鑄件產(chǎn)生缺肉、多肉、飛邊、毛刺、錯臺等缺陷，廢品率達50%.

1.3 原因分析

1）因受造型線限制，分型面的選取有一定的局限性，鑄件無法出模區(qū)域不能設計成砂胎自帶，必須使用砂芯形成該處結構，從而決定了生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高等特點；

2）前伸梁鑄件壁厚不均布，凸臺結構較多，易形成孤立熱節(jié)，冒口放置位置又不易補縮，所以需在熱節(jié)處放置冷鐵，使該區(qū)域加速冷卻，強化了鑄件方向（順序）凝固的條件，有利于鑄件提前凝固，防止鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔的缺陷；

3）手工自硬砂制芯，在生產(chǎn)過程中，容易磕碰，后續(xù)用砂芯修補膏還原結構導致砂芯尺寸精度差；砂芯重量重，下芯很難操作，因芯子覆蓋區(qū)域大，很難觀察是否下到位；鑄件好幾處凸臺是由砂芯形成的，砂芯存在磨損時，凸臺結構不完整。

2 工藝改進及改進后效果

2.1 改進后的工藝方案

后續(xù)因生產(chǎn)需求量增多，需大批量生產(chǎn)滿足顧客需求，決定開發(fā)金屬模具。

新工藝采用潮膜砂K W線生產(chǎn)，結合其緊實度高、自帶砂胎能力強等特點，確認分型面位置見圖6.模具采用金屬工裝保證精度的同時，芯子采用25 L冷芯盒制芯。砂芯共用，可在側(cè)面芯頭部位不影響使用強度的同時較大幅度減輕，砂箱尺寸為：1 300 mm×800 mm，每型可布置左右件各1件，確定砂芯結構如圖7所示，內(nèi)澆口位置如圖8所示。且K W線鑄型硬度相對較高，就此件結構及模數(shù)而言鑄型可視為剛性硬鑄型，只需進行充分液補，然后利用石墨化膨脹抵消凝固收縮即可[1]。鑄件較大，澆注系統(tǒng)應該分散多道引入，避免因引入過集中而形成新的接觸熱節(jié)[2]；采用中間注入式澆注系統(tǒng)，容易充滿，可減少薄壁件澆不到、冷隔方面的缺陷；內(nèi)澆道基本在淹沒的狀態(tài)下工作，充型平穩(wěn)；可避免金屬液發(fā)生激濺、氧化及由此而形成的鑄件缺陷[3]。14根φ10 mm×65 mm通氣針分布在前伸梁凸臺中間位置，從冒口頸和薄片澆道兩道進水口進鐵水，避免單獨從冒口頸進水過熱；孤立熱節(jié)處放置2塊冷鐵，采用冷鐵平衡壁厚差，消除熱節(jié)。按照反向設計順序，以最小阻流面積當內(nèi)澆口，根據(jù)最小阻流面積反推出橫澆道面積和直澆道面積，冒口尺寸按照熱節(jié)圓法計算，冒口頸尺寸按照經(jīng)驗值計算。根據(jù)阻流斷面設計法確定最小阻流面積，計算方法見下：

根據(jù)經(jīng)驗公式

式中:τ—澆注時間，s；m—鑄件或澆注金屬質(zhì)量，kg；k—系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗推薦值選取m=94 kg，k=1.68，代入公式（1）計算出澆注時間為16 s；）

式中：m—流經(jīng)斷面的金屬液總重量，kg；ρ—金屬液密度，g/c m3；μ—流量損耗系數(shù)；τ—澆注時間，s；g—重力加速度，c m/s2；H—平均靜壓頭高度，c m.

根據(jù)經(jīng)驗推薦值取 m=94 kg；ρ=6.9 g/c m3，μ≈0.55，H=24 c m，g=981 c m/s2.將（1）式 τ=16 s代入公式（2）計算出最小斷面面積為7.13 c m2；選用半封閉式澆注系統(tǒng)按澆口比ΣS內(nèi)∶ΣS橫∶ΣS直=3∶8∶4，選取阻流截面尺寸為30mm×10 mm和40 mm×3 mm，橫澆道尺寸為35 mm×35 mm和25 mm×25 mm，直澆道為φ36 mm×300 mm，具體型板布置圖尺寸如圖8所示。

圖6 KW線分型面

圖7 KW線工藝圖

2.2 新工藝驗證情況

1）新工藝每型左右各1件，采用1個共用砂芯，重量為7.5 kg，砂芯重量減輕50 kg，一個人可完成下芯操作，生產(chǎn)效率明顯提升，生產(chǎn)成本明顯降低，同時避免了芯子間配合引起的尺寸精度低等問題；

圖8 KW線型板布置圖

2）新工藝解決了下芯及合箱過程中產(chǎn)生的擠砂、掉砂缺陷；

3）新工藝杜絕了因芯子間配合而產(chǎn)生的披縫厚，錯臺，飛邊嚴重，清理難度大的問題；

4）鑄件表面質(zhì)量明顯改善的同時提高了產(chǎn)品的市場競爭力；

5）新工藝生產(chǎn)時，發(fā)現(xiàn)凸臺處有縮孔缺陷如圖9所示，占比30%.

2.3 計算機模擬改進縮孔

針對在K W線生產(chǎn)時凸臺產(chǎn)生縮孔缺陷，利用計算機數(shù)值模擬技術，查看凝固順序，發(fā)現(xiàn)該處凸臺最后凝固，屬于孤立熱節(jié)，如圖10所示。在內(nèi)側(cè)凸臺表面增加φ50 mm×50 mm冷鐵后（見圖11），重新模擬效果較好，孤立熱帶消除，模擬結果見圖12.凸臺處提前凝固，解決了縮孔缺陷。運用計算機模擬技術，可以有效分析缺陷產(chǎn)生的原因，并實時模擬改進，降低生產(chǎn)成本，提高工作效率。

圖9 凸臺縮孔位置

圖10 改前模擬凝固順序云圖

圖12 改后模擬凝固順序云圖

圖11 凸臺內(nèi)側(cè)增加冷鐵三維示意圖

按此工藝調(diào)整型板后生產(chǎn)，生產(chǎn)情況穩(wěn)定，廢品率為1.3%.

3 結論

1）鑄造工藝由1件/型優(yōu)化為各2件/型；由鑄型600型/天提升為1 100型/天；由手工自硬砂制芯優(yōu)化為25L冷芯盒；芯子重量由57.5 kg/件降至7.5 kg/件；冷鐵數(shù)量由16塊/件改為5塊/件。廢品率由30%降至1.3%，提高生產(chǎn)效率，降低成本，滿足客戶需求。

2）前伸梁這種主體為平板結構的鑄件應采用多道分散澆注，比集中澆注更有利于溫度場分布均勻，減少工藝熱節(jié)造成的縮孔、縮松缺陷。

3）選取適當澆注系統(tǒng)截面比，可有效排氣和阻渣，保證金屬液平穩(wěn)充型。