球墨鑄鐵軸承蓋鑄造工藝設計分析

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1、球墨鑄鐵軸承蓋鑄造工藝設計分析球墨鑄鐵軸承蓋鑄造工藝設計分析 2020/02/25 摘要：縮松是影響球墨鑄鐵軸承蓋質量的重要因素。在軸承蓋工藝設計階段，借助數值模擬軟件對工藝進行了分析，并預測了鑄件產生縮松缺陷的分布及嚴重度，為后續(xù)調整工藝提供了參考，從而提高了工藝可行性并縮短了驗證周期。關鍵詞：球墨鑄鐵；軸承蓋；縮松；數值模擬軸承蓋是柴油機的重要部件，半圓弧面安裝軸瓦，兩側的貫穿螺栓孔通過螺栓與機體聯(lián)接，主要承受爆發(fā)壓力和往復慣性力作用，質量要求非常嚴格。1鑄件簡介某種柴油機軸承蓋輪廓尺寸527mm302mm118mm，中間最小壁厚25mm，毛坯重量110kg，材質QT400-15，要求抗拉

2、強度400MPa，屈服強度250MPa，伸長率15%，本體硬度135185HBW。關鍵部位必須做無損檢測，不允許有任何鑄造缺陷。2工藝設計及模擬分析根據公司現有條件，采用堿性酚醛樹脂砂工藝造型，并借用了現有砂箱，一箱2件生產。鑄件水平放置、中間分型，采用了開放式澆注系統(tǒng)，保證了澆注過程中鐵液充型平穩(wěn)，避免形成因鐵液飛濺、裹氣帶來的氧化夾渣和氣孔等缺陷。貫穿螺栓孔直徑40mm，鑒于細長砂芯極易變形，加工時容易局部缺料，工藝設計時決定貫穿螺栓孔不鑄出，而是后續(xù)加工形成。鑄件結構如圖1所示。圖1鑄件結構澆注溫度高時，鐵液流動性好，有利于夾渣上浮，補縮效果好，但溫度太高也會增大液體收縮量，反而容易形成

3、縮松、縮孔，因此為了平衡產生縮松、夾渣的風險，澆注溫度定為13401350。為避免殘余應力，減少組織內珠光體含量，從而獲得良好的韌性，澆注完成后型內冷卻時間不小于48h，自然時效，不需要去應力退火。球墨鑄鐵具有糊狀凝固特性。由于這種糊狀凝固特性以及凝固時間較長，造成凝固時球墨鑄鐵件的外殼長期處于較軟狀態(tài)，在石墨化膨脹力作用下外殼二次膨脹，松弛了內部壓力，容易在鑄件熱節(jié)處形成縮松甚至縮孔，使鑄件的致密性下降1。因此，在工藝設計時我們重點關注了縮松問題。經分析，我們設計了兩種工藝方案（見圖2），并利用MAGMA軟件進行了工藝模擬分析預測，如圖3所示。方案1：上下全冷鐵工藝，利用冷鐵的激冷效果改變鑄

4、件的溫度場，并利用石墨膨脹自補縮能力解決縮松缺陷。方案2：底面冷鐵+頂面保溫冒口工藝，主要利用冒口的補縮能力解決鑄件可能產生的縮松問題。從圖3鑄件熱節(jié)分布中可以看出：方案1中熱節(jié)處于軸承蓋心部，呈水平U形分布；方案2中熱節(jié)處于軸承蓋頂部，呈垂直傾斜的錐形。鑄件潛在縮松風險分布情況如圖4所示。a）方案1潛在縮陷b）方案2潛在縮陷圖4縮松風險分布及嚴重度從圖4可以看出，方案1中軸承蓋非加工曲面處存在潛在縮松風險，預測缺陷嚴重度為8.9%12%；方案2中冒口頸與鑄件連接處存在潛在縮松風險，預測缺陷嚴重度高達11%58%，而且出氣孔根部也存在潛在縮陷風險。從模擬分析結果來看，方案1中的縮松主要分布在軸

5、承蓋非加工面底部，基本處于鑄件心部。本工藝中冷鐵布置改變了溫度場，石墨化膨脹發(fā)揮了作用，起到了自補縮效果；方案2中的縮松主要分布在保溫冒口根部，即冒口頸與鑄件相連部位，且縮松傾向嚴重，可能是冒口尺寸設計不合理，如冒口偏小，會使冒口中的鐵液先于鑄件熱節(jié)凝固，起不到補縮作用，反而從熱節(jié)倒抽鐵液；冒口高度偏小則壓力不足，沒有足夠的動力將鐵液送入鑄件，都會引起鑄件縮松2。隨后我們改進了保溫冒口尺寸并進行了模擬分析，保溫冒口尺寸由100mm130mm改為120mm170mm，同時冒口頸由原先的自硬砂制芯改為與保溫冒口配套的標準易割片。模擬結果（見圖5、圖6）顯示冒口加大后，冒口的補縮作用顯著，將熱節(jié)轉移

6、到了冒口內部，鑄件內部沒有縮松。3生產驗證按照全冷鐵工藝和改進后的保溫冒口工藝各生產了兩箱（見圖7），并進行了解剖驗證，兩種工藝生產的毛坯全部合格。解剖后鑄件內部組織很致密，如圖8、圖9所示。全冷鐵工藝生產的鑄件心部沒有發(fā)現縮松，頂部保溫冒口+底部冷鐵工藝生產的鑄件心部及冒口根部也都沒有縮松。兩種工藝生產的鑄件毛坯都合格，但考慮到工藝出品率，最后選用了全冷鐵工藝組織生產，到目前為止共生產了20件軸承蓋鑄件，毛坯全部合格。加工了10件，貫穿螺栓孔、側拉螺栓孔及潤滑油孔內均無縮松，無損檢測滿足要求。4結束語1）厚大中型球墨鑄鐵鑄件可以利用石墨膨脹化的自補縮能力消除縮松，從而實現無冒口鑄造。2）數值模擬分析在工藝設計階段起到了至關重要的作用，可以提高工藝可行性，縮短驗證周期，降低生產驗證成本。參考文獻：1楊文勝.280柴油機主軸承蓋鑄造工藝改進J.機車車輛工藝，2013（5）：13-14.2周亙.球墨鑄鐵件冒口補縮失敗原因分析J.現代鑄鐵，2004（4）：7-14.