淺析鑄件設(shè)計(jì)對(duì)鑄造企業(yè)的重要性

任現(xiàn)偉

（洛陽(yáng)古城機(jī)械有限公司，河南洛陽(yáng) 471023）

當(dāng)前，筆者認(rèn)為很多鑄件質(zhì)量做不好的根本原因有兩方面：一是鑄造企業(yè)的工藝技術(shù)設(shè)計(jì)能力和生產(chǎn)裝備不能滿足所生產(chǎn)鑄件的要求；二是鑄件的設(shè)計(jì)不利于鑄造成形過(guò)程控制。有很多鑄件設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的時(shí)候，除了經(jīng)濟(jì)性以外，重點(diǎn)考慮的是滿足使用的荷載、力學(xué)性能、機(jī)械加工和裝配等要求。由于受到傳統(tǒng)的保守觀念、輕量化和低成本特別是自身鑄造知識(shí)結(jié)構(gòu)的制約，往往導(dǎo)致所設(shè)計(jì)出來(lái)的鑄件不利于鑄造或者是要采用復(fù)雜的鑄造方法甚至是精密鑄造才能實(shí)現(xiàn)，使得鑄造生產(chǎn)難關(guān)重重、效率低下、成本高昂。

有些鑄造企業(yè)在遇到上述問(wèn)題時(shí)不善于、也不清楚如何與鑄件設(shè)計(jì)者進(jìn)行有效的技術(shù)溝通，往往會(huì)造成所生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量無(wú)法滿足客戶的需求，遲遲不能送樣、貽誤交貨周期，造成很多后期鑄造過(guò)程工藝變更，甚至導(dǎo)致開(kāi)發(fā)失敗。因此，作為鑄造工作者，應(yīng)該在鑄件結(jié)構(gòu)定型之前，充分與鑄件設(shè)計(jì)者保持密切溝通，力爭(zhēng)使定型后的鑄件能夠滿足傳統(tǒng)鑄造方法，以低消耗、低成本的鑄造過(guò)程工藝實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。因此，我們需要就以下幾個(gè)經(jīng)常困擾鑄造生產(chǎn)的問(wèn)題點(diǎn)與鑄件設(shè)計(jì)者展開(kāi)詳細(xì)的技術(shù)溝通。

1 拔模問(wèn)題

在鑄件設(shè)計(jì)過(guò)程中，拔模是對(duì)鑄件的一些相對(duì)于分型面垂直或斜度小的表面做出的錐度調(diào)整，以便從按照鑄件模樣設(shè)計(jì)出的模具中取出鑄件或能夠?qū)崿F(xiàn)從模具上順利脫模的功能。一些鑄件往往在拔模方向和拔模斜度上給鑄造帶來(lái)一些意想不到的難題。

1.1 拔模方向

在鑄件設(shè)計(jì)過(guò)程中，拔模方向是鑄件的一些特定的表面沿分型面傾斜一定角度的方向。如果鑄件的某些表面被賦予的拔模方向有誤，將會(huì)使鑄造難度增加，甚至在鑄造生產(chǎn)中需要額外借助于活塊、砂芯、甚至是增加鑄件局部厚度的方法來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，如與設(shè)計(jì)者溝通，在不影響鑄件總體壁厚，機(jī)械加工夾緊、定位，裝配，不削弱鑄件性能和使用效果的前提下，從鑄造可行性的角度給鑄件設(shè)計(jì)者提出改變?cè)O(shè)計(jì)拔模方向的意見(jiàn)，建議設(shè)計(jì)者改變局部拔模方向，最終實(shí)現(xiàn)盡量不額外使用活塊、砂芯和增加機(jī)械加工余量等方法提高可鑄性，從經(jīng)濟(jì)性的角度避免和降低額外的鑄造成本投入，從而達(dá)到滿足鑄件整體質(zhì)量和批量生產(chǎn)的目的。

1.2 拔模斜度

拔模斜度有三種形式，分別是增加厚度法、減小厚度法和加減厚度法。正因?yàn)樵阼T件上添加拔模斜度會(huì)人為地減小或加大鑄件局部厚度。因此，對(duì)于沒(méi)有拔模斜度的鑄件圖紙必須與設(shè)計(jì)者溝通具體的拔模形式，否則，生產(chǎn)出的鑄件極有可能無(wú)法滿足圖紙的尺寸要求，因?yàn)殍T造工作者不明白鑄件設(shè)計(jì)者的初衷可能將拔模斜度搞反；也可能因?yàn)榘文Ｐ倍刃问讲幻鞔_導(dǎo)致鑄造企業(yè)與客戶之間的尺寸測(cè)量結(jié)果懸殊過(guò)大。

拔模斜度的大小，與鑄件材料的壁厚、收縮率和幾何形狀等有關(guān)。砂型鑄造鑄鐵件普遍比金屬?；蚓荑T造生產(chǎn)出的鑄件所需的拔模斜度要大；形狀較復(fù)雜或成型孔較多的鑄件一般設(shè)計(jì)的拔模斜度要大一些；另外凹入較深、高度較大的部位則應(yīng)取較小的拔模斜度；對(duì)于金屬模鑄造，有時(shí)為了在開(kāi)模時(shí)讓鑄件故意留在凹模內(nèi)或型芯上，會(huì)有意將鑄件該面斜度減小或放大。不論拔模斜度的形式和大小如何變化，首先應(yīng)該滿足所需的鑄造方法，如果經(jīng)過(guò)評(píng)審后確實(shí)不能滿足特定鑄造需要，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期應(yīng)大膽地向設(shè)計(jì)者提出修改請(qǐng)求。如因特殊的鑄件設(shè)計(jì)需要，在沒(méi)有修改可行性的前提下，應(yīng)考慮優(yōu)先使用環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)成本低的增、減鑄件局部機(jī)械加工余量、使用砂芯或活塊等鑄造輔助工藝；特殊情況下也可與客戶溝通，考慮改變鑄造方法、鑄造設(shè)備來(lái)保證鑄件拔模要求。

2 補(bǔ)縮問(wèn)題

補(bǔ)縮問(wèn)題是鑄造企業(yè)拿到鑄件圖紙后，在進(jìn)行鑄造可行性分析的時(shí)候遇到最多的問(wèn)題。鑄件設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，往往為了保證鑄件強(qiáng)度和硬度等可靠性要求，認(rèn)為鑄件壁越厚性能越好，實(shí)際上對(duì)于常規(guī)鑄件來(lái)說(shuō)，滿足一定強(qiáng)度要求后隨著壁厚的不斷增加，力學(xué)性能反而有明顯的下降趨勢(shì)，甚至反而會(huì)惡化鑄件強(qiáng)度。原因是超過(guò)一定臨界壁厚的厚壁鑄件中心層的材料晶粒普遍較為粗大，當(dāng)補(bǔ)縮不足、排氣不良時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)部縮孔、氣孔，外表面凹陷等缺陷，使鑄件的機(jī)械性能隨著壁厚的增加而降低。

不論屬于厚壁鑄件還是薄壁鑄件，如果壁厚較為均勻的話總體鑄造難度應(yīng)該是不大的。這里提到的補(bǔ)縮問(wèn)題，是那種讓人苦惱的鑄件壁厚懸殊過(guò)大、鑄件局部或補(bǔ)縮通道過(guò)薄、過(guò)窄導(dǎo)致的補(bǔ)縮過(guò)程受阻等問(wèn)題。從鑄造工藝的角度出發(fā)，當(dāng)局部壁厚突然增大或急劇減薄時(shí)，雖然可以在設(shè)計(jì)模具的時(shí)候人為地增加工藝補(bǔ)貼、溢流塊、拉筋和冷鐵等方法減少鑄件設(shè)計(jì)不合理帶來(lái)的影響，但卻額外的浪費(fèi)了寶貴的金屬液，增加了切割、打磨等后處理工作量，甚至需要?jiǎng)佑脷飧罨蛘哕嚧?、銑床等機(jī)械加工設(shè)備來(lái)去除這些工藝補(bǔ)正量。

3 尺寸問(wèn)題

這里除了重視因拔模斜度形式不明確造成的鑄件尺寸不合格外，還應(yīng)特別注意尺寸檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)方法和尺寸公差要求的不同。尺寸問(wèn)題如果在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期處理不當(dāng)，往往也會(huì)造成鑄件不合格。

3.1 檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法

對(duì)于尺寸檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法的選用，要與鑄件設(shè)計(jì)者做好溝通，避免因?yàn)殡p方檢測(cè)不一致導(dǎo)致的尺寸問(wèn)題。有些鑄造企業(yè)將自己檢測(cè)合格的鑄件發(fā)到客戶后被告知尺寸不合格，糾其原因好多都是因?yàn)闄z測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法不一致造成的。不論是采用平臺(tái)劃線、三坐標(biāo)還是輪廓儀等尺寸檢測(cè)設(shè)備，都要與客戶的檢測(cè)設(shè)備類型基本趨近。同時(shí)，檢測(cè)方法也要與客戶保持一致，否則，也會(huì)因?yàn)榉椒ǖ牟町愒斐沙叽鐔?wèn)題。

3.2 尺寸公差

鑄件尺寸公差是指公稱尺寸的兩個(gè)極限尺寸的差值，一般被標(biāo)注在圖紙相應(yīng)幾何尺寸之后或技術(shù)要求內(nèi)。不論是引用哪個(gè)尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)、哪個(gè)公差等級(jí)，都要求我們仔細(xì)閱讀每個(gè)尺寸的公差范圍。我們常常犯的錯(cuò)誤是沒(méi)有做到逐一評(píng)審，以至于鑄件生產(chǎn)出來(lái)后在檢測(cè)的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)好多尺寸無(wú)法滿足公差要求。為了不重復(fù)這樣的錯(cuò)誤，作為鑄造工作者就必須在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期評(píng)審所有尺寸公差，及時(shí)找出所采用的鑄造方法不能滿足的公差要求，與鑄件設(shè)計(jì)者溝通解決方案。

4 質(zhì)量問(wèn)題

鑄件的質(zhì)量問(wèn)題除了幾何形狀、尺寸等物理度量值外，還通常包括材料問(wèn)題和鑄件內(nèi)、外部質(zhì)量。

4.1 材料問(wèn)題

不論是有色合金還是傳統(tǒng)的黑色鑄件，都必須與鑄件設(shè)計(jì)者溝通包括鑄件化學(xué)成分、金相組織、機(jī)械性能等鑄件對(duì)材料本身的要求。有些鑄造企業(yè)到樣件檢測(cè)的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)因?yàn)殍T件厚度尺寸偏小，客戶要求的機(jī)械性能等本體試樣根本無(wú)法制??；客戶要求的延伸率、低溫沖擊值不增加熱處理方法根本無(wú)法達(dá)到；布氏硬度值與所屬材料機(jī)械性能嚴(yán)重沖突；化學(xué)成分某些元素值幾乎無(wú)法達(dá)到等問(wèn)題。這也是在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期沒(méi)有做好評(píng)審，以及評(píng)審后沒(méi)能就問(wèn)題點(diǎn)與鑄件設(shè)計(jì)者溝通的結(jié)果。

4.2 內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題

常見(jiàn)的鑄件內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題包括縮松、縮孔、氣孔、夾雜等缺陷。一些嚴(yán)重的孔洞類缺陷破壞鑄件結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使鑄件整體形狀不完整、減少鑄件的有效承載面積，削弱鑄件承受載荷的能力，可能會(huì)導(dǎo)致微裂紋缺陷的產(chǎn)生與擴(kuò)展，從而引起材料宏觀力學(xué)性能的劣化；此外，由于嚴(yán)重的縮孔、氣孔和夾雜缺陷的存在使鑄件在孔洞邊緣極易引起應(yīng)力集中，應(yīng)力集中可使鑄件產(chǎn)生疲勞裂紋，降低鑄件的機(jī)械性能，甚至?xí)l(fā)生靜載斷裂[1]。針對(duì)這些內(nèi)部缺陷問(wèn)題，采用超聲波探傷、X 光設(shè)備都是可以明確識(shí)別出缺陷位置和尺寸大小的。客戶對(duì)這些鑄件內(nèi)部缺陷能夠接受的范圍和程度必須要與鑄件設(shè)計(jì)者逐一明確，以免將帶有輕微內(nèi)部缺陷，但不影響最終使用性能的鑄件做報(bào)廢處理，或者按零缺陷驗(yàn)收等造成的誤檢、誤判的損失產(chǎn)生。

4.3 外觀質(zhì)量問(wèn)題

常見(jiàn)的鑄件外觀質(zhì)量問(wèn)題包括鑄件表面砂孔、渣孔、冷隔等缺陷。因?yàn)檫@些缺陷都集中在鑄件外表，目測(cè)可以很直觀的看出缺陷的位置和大小。有些鑄造企業(yè)將檢測(cè)合格的鑄件交付給客戶后卻被告知，有很多鑄件在投入機(jī)械加工前必須做報(bào)廢處理，理由是這些外觀缺陷超出了客戶的預(yù)期、超出了所能承受的最大極限。造成這種局面的原因，大多都是沒(méi)有與鑄件設(shè)計(jì)者溝通、明確鑄件外觀驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然，需要非常明確的還有，不是所有的鑄造難題都是鑄件設(shè)計(jì)不合理造成的，隨著客戶對(duì)鑄件質(zhì)量要求的提升以及鑄造技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，鑄造難度的增加也是大勢(shì)所趨。因此，我們必須要繼續(xù)加大提高鑄造工藝的創(chuàng)新能力，同時(shí)就遇到的無(wú)法解決的問(wèn)題從以下幾個(gè)方面建議鑄件設(shè)計(jì)者對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；（1）鑄件的壁厚應(yīng)力求均勻，以防止縮孔、熱裂等缺陷，當(dāng)需保證順序凝固條件時(shí)，應(yīng)盡量使其具有朝一個(gè)方向變化的壁厚；當(dāng)需保證同時(shí)凝固條件時(shí)，應(yīng)盡量使其趨向于具有等截面壁厚；（2）鑄件壁與壁之間的連接應(yīng)避免尖角和臺(tái)階過(guò)大，厚壁與薄壁之間應(yīng)采用圓角逐漸過(guò)渡，不能突變，以免造成熱節(jié)和應(yīng)力集中，形成縮松、熱裂等缺陷；（3）鑄件的局部厚大截面，應(yīng)盡可能采用鑄孔或挖空結(jié)構(gòu)，并以加強(qiáng)肋適當(dāng)加固；（4）鑄件平面壁上的鑄孔，可采用凸邊加固，以減小整體壁厚；（5）鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能使其冷卻時(shí)不要受到過(guò)大的收縮阻力；（6）應(yīng)盡量避免鑄件上具有大的水平面；（7）鑄件內(nèi)的氣路、水路等大面積的夾層腔，應(yīng)設(shè)置有若干連接柱。

作為鑄造企業(yè)，特別是鑄造過(guò)程工藝設(shè)計(jì)工程師，除了以上提到的幾點(diǎn)，還應(yīng)與鑄件設(shè)計(jì)者溝通鑄件各方面的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法等問(wèn)題，做好鑄件形位公差、粗糙度、機(jī)械加工余量等方面的明確工作。只有充分將準(zhǔn)備工作做好后，才真正有底氣跟客戶討論鑄件圖紙和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定型事宜。

5 結(jié)論

鑄造企業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)初期，在鑄件定型前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的鑄造可行性分析，在確定鑄件特殊特性的同時(shí)，就鑄造的難點(diǎn)與鑄件設(shè)計(jì)者進(jìn)行技術(shù)性溝通。

（1）為了鑄造可行性在征得客戶同意的前提下，由鑄造企業(yè)根據(jù)客戶對(duì)鑄件的概念要求或者機(jī)械加工圖等資料將鑄件設(shè)計(jì)好后發(fā)給客戶確認(rèn)或者與客戶一起設(shè)計(jì)。

（2）在發(fā)給客戶確認(rèn)前，使用Magma，F(xiàn)low-3d等鑄造模擬軟件對(duì)鑄件的鑄造缺陷進(jìn)行模擬分析，找出可能影響鑄造的孤立熱節(jié)點(diǎn)、收縮受阻變形傾向大、冷卻速度過(guò)快等部位，再返回到鑄件圖中優(yōu)化鑄件局部形狀，結(jié)構(gòu)或尺寸，這樣反復(fù)進(jìn)行模擬和優(yōu)化，直到適合特定鑄造過(guò)程。

（3）正因?yàn)殍T件設(shè)計(jì)對(duì)于鑄造生產(chǎn)的重要性，當(dāng)鑄件設(shè)計(jì)任務(wù)不在鑄造企業(yè)的情形下，必須在鑄件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期與鑄件設(shè)計(jì)者一同做好可行性評(píng)審工作，為鑄造生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的可靠性基礎(chǔ)。

（4）從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，甚至可以對(duì)客戶的鑄件設(shè)計(jì)人員就鑄造可行性等方面進(jìn)行建設(shè)性的培訓(xùn)，這樣不但可以加快鑄造產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，也可以提高開(kāi)發(fā)的成功率，還能拉近與客戶間的距離，為后續(xù)的鑄件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)奠定良好的合作基礎(chǔ)。