淺析熔模鑄造工藝設計中工藝補償的應用

■ 張之衛(wèi)

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熔模鑄造可以生產出精密復雜、接近于最終形狀的鑄件產品，20世紀末以來，我國熔模鑄造行業(yè)進入到一個飛速發(fā)展的時期，工藝、設備和鑄件質量水平上有了顯著的提高，雖然與世界行業(yè)先進水平還有差距，但在一些高精端產品上，已達到世界先進水平。

1. 工藝補償的作用

熔模鑄造生產中，工藝補償是為解決鑄件生產過程中的鑄造缺陷，在鑄件上增加的部位，此部位對鑄件實際尺寸不起作用，只在鑄造生產中起到作用。

由于熔模鑄造生產工藝的獨有特性，熔模鑄造生產的鑄件最為常見的鑄造缺陷是縮孔或縮松。因熔模鑄造生產的鑄件多為小件，一般熔模鑄造中鑄件的補縮依靠澆注系統(tǒng)即可達到對鑄件的補縮作用（特殊情況也可設置補縮冒口），但是，有個別如壁厚不均勻、長度過長等鑄件，依靠澆注系統(tǒng)無法完全達到對鑄件的補縮效果，這種情況下，采用工藝補償是最有效的手段。

2. 生產應用與分析

我公司生產的鐵路用客車迷宮式軸箱前蓋毛坯（見圖1，以下簡稱前蓋），在生產工藝設計時，因前蓋毛坯的壁厚非常不均勻，在前蓋的4個耳朵處容易形成鑄造缺陷（縮孔或縮松），而在使用過程中，前蓋又是通過4個耳朵和軸箱體連接，前蓋4個耳朵是主要的受力部位，為保證鐵路客車運輸的安全，前蓋4個耳朵部位不允許存在任何鑄造缺陷?？紤]到眾多有利于澆注過程中的補縮，我們設計了如圖2、圖3、圖4所示的三種澆注系統(tǒng)的生產工藝試驗方案。

圖 1

圖 2

圖 3

圖 4

圖2 采用的是傾斜式澆注形式，以增加對遠離內澆道的兩個耳朵的補縮效果；圖3是在采用傾斜式澆注的前提下，遠離內澆道的兩個耳朵增加了暗冒口，繼續(xù)加大對遠離內澆道的兩個耳朵的補縮效果；圖4是在4個耳朵處都加設暗冒口，內澆道放置在中間位置，以期達到對4個耳朵的補縮效應。同時，我們還按照50℃左右的間隔溫度，在不同的溫度下進行澆注，為確定合適的澆注溫度提供依據。

為避免生產過程中的偶然性，同種工藝在每一個澆注溫度段澆注兩件鑄件，共試驗生產24件前蓋毛坯鑄件。我們在鋸床上將前蓋按對角耳朵的中心線全部鋸開，發(fā)現(xiàn)內澆道下耳朵部位的組織致密，未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，但不在內澆道下的耳朵部位都存在如圖5、圖6所示的縮孔缺陷。

圖 5

圖 6

針對上述現(xiàn)象，我們進行了分析研究，首先我們確定設計的生產工藝沒有達到應有的效果，圖2傾斜式澆注工藝中，由于不在內澆道下的兩個耳朵距內澆道的距離過大，中間前蓋的壁厚又較薄，凝固速度較快，內澆道的高溫鋼液無法對遠處兩個耳朵的厚大部位進行補縮；圖3傾斜式澆注工藝雖然在遠端兩個耳朵處加設暗冒口，但由于暗冒口的鋼液不是高溫鋼液，澆注后暗冒口也會快速凝固，所以對兩個耳朵的厚大部位沒能起到補縮效果，我們將暗冒口切開后也證實了這個結果；圖4雖然減小了內澆道與4個耳朵的補縮距離，也加設了4個暗冒口，但由于內澆道與4個耳朵之間的連接壁厚較薄，鑄件凝固時內澆道與耳朵之間的連接壁可能會很快凝固，內澆道的高溫鋼液無法對4個耳朵進行補縮，所以無法保證4個耳朵凝固時的補縮。

通過分析及試驗產品的驗證，我們得出結論，要想解決4個耳朵厚大部位的補縮，必須解決內澆道與4個耳朵的補縮通道問題，因此我們在前蓋上設計了如圖7所示的工藝補償，以增大4個耳朵中內澆道之間的補縮通道，制成蠟模及與澆道組合后如圖8所示。

在這個工藝設計中，我們通過在前蓋的兩個耳朵中間增加的工藝補償，加大了內澆道同4個耳朵之間的補縮通道，保證補縮通道在鑄件凝固時延后凝固，進一步提高澆注系統(tǒng)內澆道對前蓋4個耳朵厚大部位凝固過程中的補縮效果，保證得到質量完好的鑄件。按此種工藝，我們將4種軸箱前蓋（形狀基本相同，尺寸有差別）各制作了6個殼型，并按原來制訂的澆注工藝，間隔50℃左右的三種澆注溫度各澆注兩個前蓋殼型，共澆注試驗前蓋毛坯24件。然后將前蓋毛坯按對角耳朵的中心線全部鋸開，在所有耳朵厚大部位未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，得到如圖9所示的致密組織。

圖 7

圖 8

圖 9

為驗證生產工藝的穩(wěn)定性，我們又按同種生產工藝試驗了一組24件前蓋毛坯，并按工藝流程進行了熱處理、機加工，然后又全部按對角耳朵的中心線全部鋸開，未發(fā)現(xiàn)一件前蓋存在鑄造缺陷。至此，迷宮式軸箱前蓋毛坯的縮孔、縮松鑄造缺陷徹底解決，前蓋毛坯投入批量生產。

3. 結語

由于專業(yè)的差異，考慮的重點不同，零件的結構設計者主要考慮的是零件的使用安全性能、裝配的便捷性能以及成本的節(jié)約等方面，而忽略零件鑄造的難易度，這無疑為零件的鑄造生產工藝設計增加了難度。因此，針對熔模鑄造工藝的生產特性，希望采用熔模鑄造生產的零件在設計過程中，在滿足零件工作要求的前提下，零件結構設計能兼顧到熔模鑄造的工藝特性。

通過迷宮式軸箱前蓋的工藝試驗，我們應認識到工藝補償在熔模鑄造生產工藝設計中的重要性。