球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计分析

球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计分析球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计分析 2020/02/25 摘要：缩松是影响球墨铸铁轴承盖质量的重要因素。在轴承盖工艺设计阶段，借助数值模拟软件对工艺进行了分析，并预测了铸件产生缩松缺陷的分布及严重度，为后续调整工艺提供了参考，从而提高了工艺可行性并缩短了验证周期。关键词：球墨铸铁；轴承盖；缩松；数值模拟轴承盖是柴油机的重要部件，半圆弧面安装轴瓦，两侧的贯穿螺栓孔通过螺栓与机体联接，主要承受爆发压力和往复惯性力作用，质量要求非常严格。1铸件简介某种柴油机轴承盖轮廓尺寸527mm302mm118mm，中间最小壁厚25mm，毛坯重量110kg，材质QT400-15，要求抗拉强度400MPa，屈服强度250MPa，伸长率15%，本体硬度135185HBW。关键部位必须做无损检测，不允许有任何铸造缺陷。2工艺设计及模拟分析根据公司现有条件，采用碱性酚醛树脂砂工艺造型，并借用了现有砂箱，一箱2件生产。铸件水平放置、中间分型，采用了开放式浇注系统，保证了浇注过程中铁液充型平稳，避免形成因铁液飞溅、裹气带来的氧化夹渣和气孔等缺陷。贯穿螺栓孔直径40mm，鉴于细长砂芯极易变形，加工时容易局部缺料，工艺设计时决定贯穿螺栓孔不铸出，而是后续加工形成。铸件结构如图1所示。图1铸件结构浇注温度高时，铁液流动性好，有利于夹渣上浮，补缩效果好，但温度太高也会增大液体收缩量，反而容易形成缩松、缩孔，因此为了平衡产生缩松、夹渣的风险，浇注温度定为13401350。为避免残余应力，减少组织内珠光体含量，从而获得良好的韧性，浇注完成后型内冷却时间不小于48h，自然时效，不需要去应力退火。球墨铸铁具有糊状凝固特性。由于这种糊状凝固特性以及凝固时间较长，造成凝固时球墨铸铁件的外壳长期处于较软状态，在石墨化膨胀力作用下外壳二次膨胀，松弛了内部压力，容易在铸件热节处形成缩松甚至缩孔，使铸件的致密性下降1。因此，在工艺设计时我们重点关注了缩松问题。经分析，我们设计了两种工艺方案（见图2），并利用MAGMA软件进行了工艺模拟分析预测，如图3所示。方案1：上下全冷铁工艺，利用冷铁的激冷效果改变铸件的温度场，并利用石墨膨胀自补缩能力解决缩松缺陷。方案2：底面冷铁+顶面保温冒口工艺，主要利用冒口的补缩能力解决铸件可能产生的缩松问题。从图3铸件热节分布中可以看出：方案1中热节处于轴承盖心部，呈水平U形分布；方案2中热节处于轴承盖顶部，呈垂直倾斜的锥形。铸件潜在缩松风险分布情况如图4所示。a）方案1潜在缩陷b）方案2潜在缩陷图4缩松风险分布及严重度从图4可以看出，方案1中轴承盖非加工曲面处存在潜在缩松风险，预测缺陷严重度为8.9%12%；方案2中冒口颈与铸件连接处存在潜在缩松风险，预测缺陷严重度高达11%58%，而且出气孔根部也存在潜在缩陷风险。从模拟分析结果来看，方案1中的缩松主要分布在轴承盖非加工面底部，基本处于铸件心部。本工艺中冷铁布置改变了温度场，石墨化膨胀发挥了作用，起到了自补缩效果；方案2中的缩松主要分布在保温冒口根部，即冒口颈与铸件相连部位，且缩松倾向严重，可能是冒口尺寸设计不合理，如冒口偏小，会使冒口中的铁液先于铸件热节凝固，起不到补缩作用，反而从热节倒抽铁液；冒口高度偏小则压力不足，没有足够的动力将铁液送入铸件，都会引起铸件缩松2。随后我们改进了保温冒口尺寸并进行了模拟分析，保温冒口尺寸由100mm130mm改为120mm170mm，同时冒口颈由原先的自硬砂制芯改为与保温冒口配套的标准易割片。模拟结果（见图5、图6）显示冒口加大后，冒口的补缩作用显著，将热节转移到了冒口内部，铸件内部没有缩松。3生产验证按照全冷铁工艺和改进后的保温冒口工艺各生产了两箱（见图7），并进行了解剖验证，两种工艺生产的毛坯全部合格。解剖后铸件内部组织很致密，如图8、图9所示。全冷铁工艺生产的铸件心部没有发现缩松，顶部保温冒口+底部冷铁工艺生产的铸件心部及冒口根部也都没有缩松。两种工艺生产的铸件毛坯都合格，但考虑到工艺出品率，最后选用了全冷铁工艺组织生产，到目前为止共生产了20件轴承盖铸件，毛坯全部合格。加工了10件，贯穿螺栓孔、侧拉螺栓孔及润滑油孔内均无缩松，无损检测满足要求。4结束语1）厚大中型球墨铸铁铸件可以利用石墨膨胀化的自补缩能力消除缩松，从而实现无冒口铸造。2）数值模拟分析在工艺设计阶段起到了至关重要的作用，可以提高工艺可行性，缩短验证周期，降低生产验证成本。参考文献：1杨文胜.280柴油机主轴承盖铸造工艺改进J.机车车辆工艺，2013（5）：13-14.2周亘.球墨铸铁件冒口补缩失败原因分析J.现代铸铁，2004（4）：7-14.