厚平板类铸件叠箱造型浇注系统设计研究

王永宏，安少妮，程行东，曲泽茂

（宁夏共享装备有限公司，宁夏银川 750021）

图1 所示铸件是我司长期生产的平板导轨类铸件。其重量37 kg，最大壁厚60 mm，最小壁厚45 mm，最大尺寸514 mm。属于较厚断面平板类铸件。前期工艺采取普通模板造型，使用770 mm×550 mm标准砂箱，每箱2件。砂铁比4.3∶1，工艺出品率65%。主要存在的问题是砂铁比高，工艺出品率低。严重影响了此件的生产成本。为了解决这一问题，结合自身现有比较成熟的无箱造型工艺，同时不断改进，使得此问题得到很好解决，同时铸件质量也得到了提高。

图1 导轨三维模型

1 工艺设计

1.1 吃砂量设计

为了保证砂型具有足够的强度和刚度，砂型应有足够的吃砂量，吃砂量的大小不仅直接影响着铸件的成本，同时还是无箱造型能否成功浇注的关键因素。对于胀箱力大的铸件可在造型时埋入芯骨以增强砂型刚性，这样可以有效地解决无箱造型跑火问题。在进行吃砂量选择时应注意几点：1）成本；2）型砂具有足够的强度；3）浇注过程由于树脂燃烧和操作者紧实度不足等对型砂强度的影响；4）方便操作，避免合箱过程出现夹泥缺陷。

结合以上因素以及本厂型砂强度。铸件距离四边的距离（即吃砂量）定为60 mm。考虑到铸件之间的热影响对硬度的影响，将底部吃砂量定为60 mm。具体砂芯尺寸如图2所示.并对侧边吃砂量是否足够做了简单的验算。表1为生产此铸件的型砂配方和其强度值。

表1 型砂配方和其强度值

强度（吃砂量）验算：

铸件胀箱力 F=71 AH（kN）[1]

式中：

A——铸型中被铁液占据空间的垂直投影面积，m2；

H——铸件高度与上砂型高度之和，m；

其芯子样式如图3所示。

图2 砂芯尺寸

图3 最初设计方案

A=0.24 m2，H=0.16 m，

计算得F=2.73 kN.

由于P=F/S，

式中：P——芯子所受到的拉应力，MPa；

F——芯子所受到的胀箱力，N；

S——芯子所受力的垂直方向上的截面积，m2.

考虑到紧实的不稳定性以及浇注后树脂分解等因素，安全系数按照4计算。

最小截面积为宽度方向，其方向所能承受的拉应力P0取0.7 MPa.

计算得P＜＜P0，强度验算合格。

1.2 工艺方案

初步设计方案如图3所示，顶层由4个扁冒口提供出气，其余各层由4个侧气眼出气。单层采用半封闭式浇注系统。垂直方向叠放6层。总高度700 mm。四周及地面吃砂量为60 mm，底部吃砂量为61 mm，砂铁比0.8∶1，工艺出品率72%。整体思路是铁水逐层充型，以便于型腔内气体的排出。

根据前期的生产以及顾客反馈来看，此工艺主要存在的问题如下：

1）由于采用封闭式浇注系统，导致下层浇注速度过快，计算的底层浇注速度超过3 m/s，易产生夹渣、冲砂和卷气等缺陷，如图4所示。

2）由于出气面积小，顶层以及其余各层不同程度地出现呛气孔问题，如图5所示。

3）由于没有考虑补缩因素，顶层以及其余各层出现不同程度的缩沉缺陷。

4）通过对浇注过程的跟踪，在浇注时铸件侧边设计的出气气眼，过早地进入铁水，堵塞出气通道。

图4 导轨夹渣缺陷

图5 呛气孔缺陷

随后对方案进行了改进，如图6所示。顶层改为由4个鸭嘴冒口提供出气和补缩，其余各层改为由2个侧冒口进行出气和补缩。单层采用开放式浇注系统。降低了叠放高度，垂直方向改为5层。同时利用Mag Ma铸造模拟软件对整个充型过程进行了模拟，如图7所示。

图6 改进后工艺示意图

图7 改进后模拟充型

模拟结果分析：

1）充型1.5 s时，横浇道呈充满状态，内浇道铁水速度在2 m/s左右。

2）充型3.0 s时，开始第二层充型，横浇道呈不充满状态，横浇道失去档渣作用，此时内浇道铁水速度在0.7 m/s左右。

3）充型13.5 s时，开始第三层充型，同时第四、五层进入少量铁水。横浇道呈不充满状态，内浇道铁水速度在0.5 m/s左右。大量铁水由冒口涌入到铸件，冒口颈内铁水速度为1.1 m/s左右。

4）充型21.0 s时，开始第四、五层充型。横浇道仍呈不充满状态，内浇道铁水速度在0.5 m/s左右，冒口颈内铁水速度为1.1 m/s左右。

由模拟结果来看整个充型过程主要存在以下问题：

1）第一层浇注速度远远大于1 m/s，由此致使铁水飞溅，产生二次造渣，增大铸件夹渣风险。同时铁水对型腔壁产生冲刷，导致铸件夹砂和粘砂缺陷。

2）从第三层开始由冒口颈和内浇道同时进流，型腔内气体只能通过型砂之间的间隙外出，使得铸件产生呛气孔缺陷。

3）在充型12 s左右，第四层，第五层开始有少许铁水进入，易使铸件表面形成“铁豆”缺陷，同时不符合设计之初铁水逐层充型的思路。

虽然通过改进铸件缩沉问题得到了解决，但依旧存在着浇注速度快、紊流严重、出气不畅等问题，同时客户反馈，也由于夹渣，呛气孔缺陷报废多件，如图8、图9所示。

图8 呛气孔缺陷

图9 夹渣缺陷

为此对工艺再一次进行了的改进如图10所示，主要的改变有：

1）改变内浇道与横浇道的搭接形式；

2）通过在横浇道上设置活料将整体浇注系统改为底返式；

3）将各层用冒口相连，加强出气，同时也便于逐层充型；

4）更改了横浇道和内浇道的端面形状，采用开放式浇注系统。

通过模拟结果来看（如图11），充型平稳，符合逐层充型的设计思路，各层出气畅通。前两次工艺遇到的问题得到了彻底的解决。

图10 第2批改进工艺示意图

图11 改进后模拟的充型结果

2 结 论

通过利用铸件模拟软件的模拟，以及对导轨铸件的工艺不断改进，使得砂铁比由4.3∶1降低到0.8∶1，工艺出品率由65%提高到了72%，同时铸件质量也得到了稳定。

［1］王守志，廖秋玲.树脂砂无箱造型工艺［J］.铸造技术，2004（4）：282-283.