薄壁铸钢件工艺设计探讨.doc

薄壁铸钢件工艺设计探讨摘要：薄壁铸钢件在生产过程中容易出现裂纹、缩孔、浇不足以及砂气孔缺陷，其生产工艺与一般铸钢件的生产工艺不同，凝固过程不但要遵循顺序凝固原则，且要兼顾同时凝固原则。本文根据笔者多年从事此类的设计开发经验，结合我厂在实际生产中几个典型薄壁铸钢件产品的生产情况，提出对薄壁铸钢件在工艺设计中一些问题的探讨和对该类型产品在设计中一些注意要点进行归纳和总结。关键词：薄壁铸钢件、工艺设计、裂纹、顺序凝固一、前 言薄壁铸钢件的生产是一个系统复杂的工程，其凝固过程复杂，铸造过程影响因素很多，质量控制难度大，常易出现裂纹、变形、浇不足以及砂气孔问题。因此，对于薄壁铸钢件的工艺设计方法和思路与一般的铸钢件的设计有着较大的不同。其工艺设计更注重要求合理的地开设浇冒口，布置冷铁、拉筋，最大限度减少砂芯、砂型在凝固收缩过程中产生的阻力。笔者根据多年以来从事此类的设计开发经验，对该类型产品生产过程中常见问题的成因进行分析，在设计上合理实施工艺对策，在消除和减少薄壁铸钢件在生产过程中常见问题的产生方面获得了一些经验。本文以我厂生产实际中的几个典型薄壁铸钢件产品为例，重点阐述薄壁铸钢件工艺设计的思路和方法，以及对生产过程中常见问题的成因分析及一些解决措施进行归纳总结。二、薄壁铸钢件工艺设计的一般思路1产品结构及技术条件分析作为铸造生产厂，多数以根据用户提供的产品图纸做用户所需产品，笔者经过多年时间的设计开发经历感觉到，在用户提供的这些产品图纸中，产品结构往往与我们铸造工作者希望适合铸造产品结构有时会存在一些炯意。尤其对于薄壁铸钢件来说，其产品结构设计如果对铸造不合理，我们铸造工作者可能会花费很多精力和想很多办法去解决由于结构不合理产生的铸造缺陷，往往这些问题最终得不到彻底的解决。笔者认为，对于薄壁铸钢的生产，前期的产品结构分析是很重要的，铸造工作者在不影响产品最终使用和其结构强度的情况下，是可以适当与用户沟通，争取提出一些结构上的改进和建议，笔者多年以来在这些方面有过切身的体会，并在这些方面取得了一些进步。对于薄壁铸钢件来说，其产品结构及技术条件分析一般应着重注意如下一些方面：11产品结构尽量避免十字交叉热节和多方向板状结构相交且不容易得到铸件补缩的热节出现，筋板以“T”字交接为宜；12产品相邻厚薄悬殊不能太大，厚薄交接应逐渐过渡，不能急剧过渡；13对于铸件内腔尺寸过大，而且砂芯不能很好固定的情况，要适当考虑开设工艺孔，这样便于操作，也便于后工序的清砂。14产品材质方面，对于薄壁铸钢件来说，最好以中低碳钢和低合金钢为宜，因为这些材质相对来说流动性较好，裂纹倾向小。对于材质裂纹倾向大及合金含量高的的材质产品薄壁产品，要慎重开发，否则前功尽弃。2分型面的选择、砂芯的设计及型砂的选择薄壁铸钢件多以箱体结构、管状筒体结构居多。为满足其使用强度，往往在这些产品内腔或外型上设计有较多的加强筋板，这就使多数产品在生产时主要以砂芯组合方法生产方式居多，合理的分型方法和砂芯设计对保证产品尺寸和减少裂纹的产生有着重要的作用。一般来说，对于薄壁铸钢件，其分型方法根据不同产品结构而定，但其砂型和砂芯的设计以及型砂的选择要注意如下几方面：21砂型、芯设计时要充分考虑其退让性，要尽可能减少铸件收缩阻力，以减少裂纹和变形的产生。对于内腔较大的砂芯可在内腔设计稻草、泡沫等等退让物，也可以做成空心结构。22砂型、芯的设计要充分考虑排气措施，特别是被钢水包住的箱体结构内腔砂芯，由于薄壁件产品凝固速度快，型内气体很难在短时间内排出箱外，型芯排气通道一定要保证畅通，从多方向引气。23砂芯结构设计要便于操作，尺寸较大的砂芯可分半，分芯面可开设排气道（如图1）。24砂种的选择，我厂铸钢件生产用砂主要以水玻璃石英砂、石灰石砂、树脂砂，铬铁矿砂和覆膜砂为主，也可以结合各种砂的优缺点混合使用， 图1笔者根据多年以来对各种型砂的试用，提出如下看法：a树脂砂：对于薄壁铸钢来说，树脂砂生产在以上砂种中是最不适合，因为树脂砂其凝固收缩过程中退让性差，收缩阻力很大，且热裂纹倾向也很大，因此，对于薄壁件生产，如果有别的砂种可选择的情况下，此类型砂在薄壁件要慎用。b石灰石砂：由于原砂主要成份是CaCO3，众所周知，CaCO3在受高温时分解成CaO+CO2，高温分解的CO2气体在短时间内很难从型腔内排出，易出现气孔，但石灰石砂有高温退让性好、溃散性好的特点，裂纹倾向小，虽然在很多学说中论述的石灰石砂，缩层较大，不易保证产品尺寸，笔者对此观点有些方面看法上有所异同，其实石灰石砂的缩层问题在厚大型铸件表现突出，对于薄壁件来，并非如此，笔者在通过多次的试验表明，对于壁厚小于40mm以下的产品，用石灰石砂作为芯砂，其缩层现象不明显或不会发生缩层，对防止铸件产生热裂纹效果显著，做好排气措施，是薄壁铸钢件内腔砂芯的优选砂种。c普通石英砂：该砂种由于溃散性较差，不适宜用在内腔芯子上，可供选择在外型用砂，加上涂料；d铬铁矿砂：该砂种具有一定的激冷效果，高温强度高，主要用在转角位，外冷铁挂砂较多，以加快这些部位的冷却速度，防止裂纹有一定的效果。e覆膜砂：该砂种由于其具有高温溃散性较好，退让性优于树脂砂很多，铸件表面质量好，易成形等等优点，对结构复杂、批量生产大中小件砂芯上选择此砂较多，但该砂种发气量较大，发气速度比普通型砂快很多，过程操作容易吸湿，整个制作过程要严格执行好工艺。3浇冒口的设计铸钢件由于本身的材质决定了其浇注过程流动性差，浇注过程充型困难，其壁厚较薄，凝固过程散热较快，凝固速度比一般的铸钢件快很多，凝固过程不但要满足顺序凝固的原则，而且还要兼顾同时凝固原则，要保证其内在质量，其特殊性决定了浇冒口的设计必须要合理，同时，薄壁件浇注系统设计也十分重要，合理的浇注系统有助于防止裂纹产生、提高产品浇注质量，一般浇冒口的设计除遵循常规的设计原则外，还要注意如下注意事项：31冒口尺寸设计要合理，一般满足铸件模数即可，冒口过大，其凝固过程相对缓慢，使冒口附件区域所受到的凝固收缩拉应力较大，铸件容易出现热裂纹；32冒口设计位置一般都分布在铸件壁厚相对较厚的部位和筋板交接部位，冒口位置尽量使整个铸件收缩应力分布基本均匀，相邻冒口设计要避免发生收缩应力不一致以造成铸件拉裂；33冒口补缩距离比一般铸件的补缩距离远很多，通常可以达到壁厚的1015倍，壁厚越薄，由于其凝固速度更快，铸件基本趋向同时凝固，这时补缩距离更远。34内浇口的开设应注意避开热节集中部位，避免直对铸件壁厚入水，进水口的位置以侧注或底注为宜，设计时可以考虑在浇口处设置冒口，内浇口从冒口进入，再进入铸件，这样可防止浇注冲砂，对浇口位进行有效补缩，防止缩松和裂纹的产生。例如，我厂生产的荷兰弯头产品（如下图4），该产品尺寸从500350左右，主要壁厚为1218mm为主，浇注系统设计在下部边冒口，浇注质量一直很稳定，加工后砂气孔很少，内浇口位置也没有出现裂纹、缩松缺陷。图2 弯头产品浇注系统图35浇注系统设计应从直浇口到横浇口再到内浇口层层开放，但不适宜太开放，要适当考虑增加一些充型压力，以防止浇不足；36对于浇注高度较高，壁厚较薄，为实现铸件的顺序凝固和冒口的有效补缩，可考虑设计阶梯浇注系统，提高顶层冒口高度温度，达到补缩效果。4冷铁及拉筋的设计薄壁铸钢件由于工艺热节分散且数量较多等特点，要靠设计冒口去对每个热节进行补缩是很困难的。因此，与一般铸钢件相比，薄壁铸钢件其裂纹倾向大很多，这些裂纹主要是由于凝固过程铸件收缩不一致，凝固速度不一致，使铸件的一些弧立热节位呈现出缩裂和拉裂，要防止和消除这些裂纹的产生，内外冷铁和筋条设计是必要的有效手段。美国车底架产品为例，对薄壁铸钢件冷铁及拉筋的设计做一些简要归纳：美国车架产品：该产品尺寸57002700600，壁厚为1925mm为主，该产品结构尤其复杂，弧立交接位热节多达上100个，热裂倾向很大，同行厂家在产品开发前期裂纹数量多达6070条，有些裂纹很长，很宽，呈穿透性断开。我们开发此产品时，由于前期预防裂纹工艺措施方面策划周密，手段多样，该产品经过首次试制取得了较好的效果，首件裂纹数量仅6条。具体措施如下图示：图5：车架局部侧视图 图6：车架局部俯视图a在内腔转角位设计3050钢筋作为外冷铁和30305厚小拉筋；b在外型转角较大、应力集中、板面积较大的部位分别设计有扁长，厚为6mm的割筋；c在一些形状复杂，且壁厚较厚的交接位设计有成形外冷铁，加速这些区域的凝固速度；d设计一些专用的成形的内冷铁，转角位打小铁钉或者设小圆钢筋作内冷铁。5其它一些相关参数的设计51伸尺：一般铸钢件的伸尺都是2%，对于收缩过程受阻薄壁铸钢件，其伸尺往往达不到2%，特别是多方向都受阻碍收缩的“口”形状铸件，尺寸偏大的产品工艺缩尺往往在1.5%左右较适宜，对于一些开口铸件，除工艺上设计拉筋之外，同时还要考虑增加一些工艺补正量或调整工艺尺寸去满足缩尺的需求。52浇注温度和速度：对于该类型产品浇注过程的控制是很重要，要引起高度重视，浇温和浇速要控制适当，浇温过高或过快，型腔内气体很难排出，浇注过程容易出现发滚，且热裂倾向较大，浇温低或浇速慢，容易出现浇不足、冷隔和产生缩孔，对于薄壁铸钢件浇注温度要比一般铸钢件高