張杰瓊，呂樂華，許海鐸

(第一拖拉機(jī)有限公司，河南洛陽(yáng) 471004)

消失模鑄造具有很多優(yōu)點(diǎn)，如生產(chǎn)成本低、表面質(zhì)量好、尺寸精度高、環(huán)境污染小等。但是消失模鑄造工藝設(shè)計(jì)相比砂型鑄造要困難，因?yàn)橄ｈT造過程中負(fù)壓的存在，使其充型、冷卻過程和砂型鑄造的差別很大。因此，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和砂型鑄造也存在很大的差別。借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)消失模鑄造全過程進(jìn)行模擬有助于技術(shù)人員判斷工藝方案的優(yōu)劣性，模擬結(jié)果通過3D可視化處理后，技術(shù)人員可直觀的分析出工藝方案的充型、凝固特點(diǎn)，并以此做出判斷進(jìn)而優(yōu)化工藝。如此，便可有目標(biāo)的進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，減少工藝實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。鑄造數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)使鑄造由半經(jīng)驗(yàn)、半理論走向了可視化、可控化的發(fā)展道路，是現(xiàn)代工藝設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

某型號(hào)拖拉機(jī)傳動(dòng)系前箱是一拖公司KW 線的主要產(chǎn)品之一，批量較大，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量大、最小壁厚小，消失模鑄造難度非常大。在鑄造工藝設(shè)計(jì)過程中采用鑄造模擬仿真系統(tǒng)對(duì)所設(shè)計(jì)的三種工藝方案分別進(jìn)行模擬，綜合分析各個(gè)方案的優(yōu)劣性，通過工藝優(yōu)化得到最優(yōu)工藝方案。

1 產(chǎn)品介紹

該傳動(dòng)箱殼體是某型號(hào)拖拉機(jī)傳動(dòng)系的關(guān)鍵零部件，毛坯理論重量：265.1kg（密度按7.3×103kg/m3），最大外形尺寸分別為：816mm×530mm×578mm（如圖1 所示），腔壁最小壁厚約為14mm（如圖2 所示），最大壁厚約為50mm。

圖1 傳動(dòng)箱三維模型

圖2 最大壁厚和最小壁厚

箱體整體尺寸大，壁厚小，采用消失模鑄造首先考慮變形問題，其次是冷隔問題，變形可通過嚴(yán)格的工藝過程管控、合理的澆注系統(tǒng)及防變形措施的設(shè)計(jì)和合理的加砂造型工藝等措施防控，冷隔可通過合理的澆口位置及較高的澆注溫度解決。

2 工藝設(shè)計(jì)

為了保證提高將來工藝試驗(yàn)的效率及成功率，設(shè)計(jì)了3 種消失模工藝方案并進(jìn)行了相應(yīng)的模擬仿真，檢驗(yàn)工藝方案的合理性。三種工藝方案如圖3 所示。

圖3 工藝方案

方案1：平放頂注工藝，直澆道直徑 覬50mm，橫澆道截面40mm×20mm，內(nèi)澆口截面40mm×7.5mm，壓頭210mm。

方案2：斜放側(cè)注工藝，直澆道直徑 覬50mm，橫澆道截面60mm×55mm，內(nèi)澆口截面55mm×15mm，壓頭190mm。

方案3：豎放頂注工藝，直澆道直徑 覬50mm，橫澆道截面45mm×50mm，內(nèi)澆口截面60mm×15mm，壓頭320mm。

采用華鑄CAE 鑄造模擬系統(tǒng)消失模仿真模塊對(duì)上述3 種工藝方案進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖4、5、6 所示。

圖4 方案1 模擬結(jié)果

方案1 模擬結(jié)果：凝固后期在圖中所標(biāo)注位置出現(xiàn)夾渣和縮孔缺陷，需增設(shè)溢流結(jié)構(gòu)。另外，由于平放緣故，零件平面部分在下方，容易造成塌箱，因此在振實(shí)過程中要注意分多次加砂和振實(shí)，在澆注過程中要快澆。并且在造型過程中由于尺寸影響只能一箱一件，箱重較小。

方案2 和方案1 相比較，具有更小的夾渣和縮孔傾向，同時(shí)也降低了塌箱的風(fēng)險(xiǎn)，但是傾斜放置造成了加砂和振實(shí)過程中的難度，需多次加砂，低振幅高頻率振實(shí)。同樣在造型過程中由于尺寸影響只能一箱一件，箱重較小。

方案3 和方案2 具有相同的特點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)1 箱2 件澆注，箱重大，效率較高，但是充型較紊亂。

圖5 方案2 模擬結(jié)果

圖6 方案3 模擬結(jié)果

3 工藝優(yōu)化

結(jié)合三種工藝方案的優(yōu)劣性，以及消失模生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合分析后采用圖7 所示工藝方案，并進(jìn)行組模和澆注試驗(yàn)。

圖7 優(yōu)化后的工藝

直澆道直徑覬50mm，橫澆道截面60mm×55mm，內(nèi)澆口截面55mm×15mm，壓頭190mm。

4 工藝實(shí)驗(yàn)

工藝流程：珠粒預(yù)發(fā)→模樣成型→修模組型→施涂→烘干→造型澆注→清理。

采用1 箱1 件方案，鐵水從鑄件上部進(jìn)入，頂端加溢流塊。

造型方式如圖9 所示，裝箱數(shù)量：1 箱1 件；底砂厚度：100mm；面砂厚度：30mm；澆注溫度：1490～1510℃；負(fù)壓強(qiáng)度：5.5MPa～6MPa。

單箱設(shè)計(jì)澆注時(shí)間：90s；保壓時(shí)間：≥20min。

經(jīng)過拋丸清理，鑄件表面質(zhì)量良好，未見明顯缺陷。端面硬度180～190HB。

5 檢測(cè)加工

采用三維掃描儀對(duì)樣件毛坯進(jìn)行掃描，得到毛坯的三維模型，通過毛坯的三維模型和理論三維模型全尺寸對(duì)比檢測(cè)毛坯的變形及加工余量情況，結(jié)果如圖11 所示。

圖8 組型方案

圖9 黃模裝箱造型

經(jīng)過對(duì)比，毛坯三維模型和理論模型幾乎完全吻合，未發(fā)現(xiàn)有較大變形量的部位，其變形量在工藝控制范圍內(nèi)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證樣件毛坯的變形及加工情況，將樣件毛坯進(jìn)行加工鑒定，結(jié)果顯示樣件變形量較小，在工藝控制范圍內(nèi)，未見其他缺陷，樣件合格。加工成品如圖12 所示。

圖10 鑄件毛坯

6 結(jié)束語(yǔ)

圖11 毛坯和三維模型對(duì)比結(jié)果

圖12 加工成品

消失模新產(chǎn)品開發(fā)周期較長(zhǎng)，在工藝設(shè)計(jì)階段采用鑄造模擬仿真系統(tǒng)對(duì)擬定工藝進(jìn)行模擬仿真，技術(shù)人員可直觀的分析各工藝方案的優(yōu)缺點(diǎn)，便于后期工藝優(yōu)化。工藝設(shè)計(jì)階段采用鑄造模擬仿真系統(tǒng)大大提高了新產(chǎn)品開發(fā)效率，縮短了試制周期。本文所述傳動(dòng)箱殼體按照傳統(tǒng)的工藝開發(fā)思路的話，至少需要進(jìn)行3 次工藝試驗(yàn)，而采用本文所述方案則工藝試驗(yàn)僅進(jìn)行一次便獲得成功，在成本、周期、效率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。