周正壽

(1.江蘇恒立液壓股份有限公司,江蘇 常州 213164;2.江蘇恒立液壓股份有限公司常州鑄造分公司,江蘇 常州 213164)

砂型鑄造是一種環(huán)保、工藝簡單且成本低的工藝,廣泛應(yīng)用在制造行業(yè)中。砂型鑄造是鐵水通過澆注系統(tǒng)進(jìn)入砂型模具中,成型出不同形狀的鑄件的工藝方法[1-3]。

挖掘機(jī)是工程機(jī)械主力機(jī)種之一,大中小型挖掘機(jī)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和搶險救災(zāi)等多個領(lǐng)域[4-5]。其中,挖掘機(jī)中的液壓后蓋是提供挖掘機(jī)動力的關(guān)鍵零部件之一[6]。但是在實(shí)際生產(chǎn)液壓后蓋鑄件時,產(chǎn)品經(jīng)常出現(xiàn)砂眼、縮孔和縮松等缺陷,由此導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低。

針對液壓后蓋鑄件生產(chǎn)時存在的上述不足,本文基于鑄造CAE技術(shù)[7-10],采用MAGMA模擬軟件,對原工藝方案進(jìn)行模擬,分析原工藝鑄造缺陷產(chǎn)生的原因,引入全新的優(yōu)化工藝方案來改善鑄件品質(zhì)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

液壓后蓋鑄件結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,尺寸為160 mm×130 mm×50 mm,重量約5.3 kg。鑄件整體結(jié)構(gòu)勻稱,為了減輕鑄件重量,實(shí)現(xiàn)輕量化,局部進(jìn)行了省料處理。此鑄件主要有后蓋主體和內(nèi)部兩個油口組成,需要通過砂芯成型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該鑄件屬于挖掘機(jī)用液壓件,主要承擔(dān)挖掘機(jī)運(yùn)動過程中的振動載荷,故該鑄件對強(qiáng)度和內(nèi)部質(zhì)量有很高的要求。

根據(jù)液壓件技術(shù)要求:該鑄件使用KW靜壓全自動造型,公差按照GB/T 6414—2017標(biāo)準(zhǔn)中CT8級執(zhí)行,鑄件內(nèi)部不允許出現(xiàn)縮松、縮孔和夾砂等缺陷。

1.2 后蓋成分和性能要求

鑄件采用QT450-10,強(qiáng)度及延展性好,具體成分及性能要求如表1和表2所示。

表1 液壓后蓋鑄件化學(xué)成分要求w(%)

表2 液壓后蓋鑄件性能要求

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)條件:將一定比例的原材料(生鐵+廢鋼+回爐料)放入電爐中進(jìn)行熔煉,熔煉溫度1490～1520 ℃。熔煉完成后出爐澆注,澆注溫度1360～1370 ℃,鑄件保溫2～3 h后開箱,鑄件完全冷卻后進(jìn)行后處理。

在液壓后蓋上截取試塊,用于檢測金相和性能情況。采用顯微鏡檢查鑄件內(nèi)部石墨形狀;用拉伸機(jī)測試抗拉強(qiáng)度。采用硬度機(jī)檢測鑄件硬度,測試3個點(diǎn),取平均值。此外,通過對鑄件進(jìn)行內(nèi)部解剖,判定內(nèi)部質(zhì)量。

2 液壓后蓋鑄件的原方案分析與討論

2.1 液壓后蓋鑄件原設(shè)計(jì)方案

圖2為液壓后蓋鑄件原工藝布局圖。分析整體結(jié)構(gòu),為了保證鑄件加工后有良好的外觀,使加工面(出油口面)在頂面,即使產(chǎn)生浮渣也被加工掉。從圖2可見,采用1箱4件進(jìn)行排布,1個冒口補(bǔ)縮兩個鑄件。為了保證冒口始終處于熱狀態(tài)和最后凝固效果,采用冒口入水的澆注方式。此外,需要通過增加冷鐵來加大冒口的有效補(bǔ)縮范圍。整個澆注系統(tǒng)重量52 kg,澆注時間8 s。

圖2 液壓后蓋鑄件原工藝圖

2.2 液壓后蓋鑄件原設(shè)計(jì)方案模擬

為了分析原方案是否存在鑄造缺陷的風(fēng)險,采用MAGMA軟件進(jìn)行模擬分析,可視化的模擬整個工藝過程。首先將工藝圖中各個零件分別轉(zhuǎn)為STL格式導(dǎo)入模擬軟件系統(tǒng);然后進(jìn)行材料定義,再進(jìn)行網(wǎng)格劃分;最后進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬,相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 模擬參數(shù)設(shè)置

由圖3凝固模擬可見,鑄件在最后凝固階段,鑄件與冒口之間出現(xiàn)斷流現(xiàn)象,鑄件得不到足夠的鐵水進(jìn)行補(bǔ)縮。由圖4縮松模擬可見,鑄件內(nèi)部在剩余液相部位有縮孔,存在質(zhì)量問題,實(shí)際生產(chǎn)時存在8%的廢品。對原模擬結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充說明,分析可得,原工藝處在臨界狀態(tài),當(dāng)鐵液配制比較好時,無縮松;當(dāng)鐵液不好時,可能會出現(xiàn)縮松,工藝保險系數(shù)不高。

圖3 原工藝各時間段凝固過程

圖4 鑄造縮松模擬

3 液壓后蓋鑄件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案分析與討論

3.1 液壓后蓋鑄件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對原工藝方案的不足,結(jié)合產(chǎn)品內(nèi)部不能有縮松、縮孔等缺陷的技術(shù)要求,提出了優(yōu)化工藝思路:1) 調(diào)整冒口位置,把冒口放在鑄件熱節(jié)正上方,利于鑄件的補(bǔ)縮,增加冒口的補(bǔ)縮效果;2)取消原工藝?yán)滂F,具體優(yōu)化工藝見圖5。

圖5 液壓鑄件優(yōu)化后工藝圖

3.2 液壓后蓋鑄件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案模擬

采用MAGMA軟件對改進(jìn)后的工藝進(jìn)行模擬分析。圖6(a)-(b)為優(yōu)化工藝的充型過程,可以看出鐵水進(jìn)入型腔的速度小于1 m/s,說明流速平穩(wěn)。此外,從圖可以看出,內(nèi)澆道被鐵水充滿,使得氣體無法進(jìn)入型腔,保證得到合格的鑄件。圖6(c)-(d)為最后凝固階段,鑄件先凝固完成,冒口最后凝固,達(dá)到鑄件完全得到冒口補(bǔ)縮的目的,且沒有出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。

圖6 優(yōu)化工藝充型與凝固過程

圖7為優(yōu)化后的縮松模擬,從圖可知,鑄件內(nèi)部并無獨(dú)立的液相區(qū),所有液相區(qū)均在冒口內(nèi)部,再次表明鑄件內(nèi)部無鑄造缺陷。

圖7 優(yōu)化后補(bǔ)縮系統(tǒng)模擬

3.3 液壓后蓋鑄件優(yōu)化方案實(shí)際生產(chǎn)與品質(zhì)分析

采用優(yōu)化方案生產(chǎn)鑄件。如圖8(a)所示,液壓后蓋鑄件解剖后,通過對鑄件進(jìn)行PT檢驗(yàn),在鑄件內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。此外,對鑄件的性能和材質(zhì)進(jìn)行取樣檢驗(yàn),均符合該材質(zhì)性能要求,如表4和圖8(b)所示。通過實(shí)施改善后的方案,鑄件質(zhì)量得到保證,鑄件整體廢品率低于0.8%。

表4 液壓后蓋鑄件性能

圖8 優(yōu)化后的鑄件和冒口解剖圖

4 結(jié)論

采用MAGMA模擬分析軟件分析了側(cè)冒口和頂冒口補(bǔ)縮方案,最后采用優(yōu)化后的頂冒口方案進(jìn)行批量生產(chǎn)。

采用優(yōu)化后的方案,鑄件內(nèi)部無鑄造缺陷,且性能滿足要求,鑄件廢品率從8%降低到0.8%。

(3)采用優(yōu)化工藝生產(chǎn)的液壓后蓋鑄件,產(chǎn)品實(shí)際品質(zhì)與模擬結(jié)果相符。