浅析铸件设计对铸造企业的重要性

2020-01-19任现伟

中国铸造装备与技术 2020年4期

任现伟

（洛阳古城机械有限公司，河南洛阳 471023）

当前，笔者认为很多铸件质量做不好的根本原因有两方面：一是铸造企业的工艺技术设计能力和生产装备不能满足所生产铸件的要求；二是铸件的设计不利于铸造成形过程控制。有很多铸件设计者在设计铸件结构、形状和尺寸的时候，除了经济性以外，重点考虑的是满足使用的荷载、力学性能、机械加工和装配等要求。由于受到传统的保守观念、轻量化和低成本特别是自身铸造知识结构的制约，往往导致所设计出来的铸件不利于铸造或者是要采用复杂的铸造方法甚至是精密铸造才能实现，使得铸造生产难关重重、效率低下、成本高昂。

有些铸造企业在遇到上述问题时不善于、也不清楚如何与铸件设计者进行有效的技术沟通，往往会造成所生产的铸件质量无法满足客户的需求，迟迟不能送样、贻误交货周期，造成很多后期铸造过程工艺变更，甚至导致开发失败。因此，作为铸造工作者，应该在铸件结构定型之前，充分与铸件设计者保持密切沟通，力争使定型后的铸件能够满足传统铸造方法，以低消耗、低成本的铸造过程工艺实现批量生产。因此，我们需要就以下几个经常困扰铸造生产的问题点与铸件设计者展开详细的技术沟通。

1 拔模问题

在铸件设计过程中，拔模是对铸件的一些相对于分型面垂直或斜度小的表面做出的锥度调整，以便从按照铸件模样设计出的模具中取出铸件或能够实现从模具上顺利脱模的功能。一些铸件往往在拔模方向和拔模斜度上给铸造带来一些意想不到的难题。

1.1 拔模方向

在铸件设计过程中，拔模方向是铸件的一些特定的表面沿分型面倾斜一定角度的方向。如果铸件的某些表面被赋予的拔模方向有误，将会使铸造难度增加，甚至在铸造生产中需要额外借助于活块、砂芯、甚至是增加铸件局部厚度的方法来得以实现。这时，如与设计者沟通，在不影响铸件总体壁厚，机械加工夹紧、定位，装配，不削弱铸件性能和使用效果的前提下，从铸造可行性的角度给铸件设计者提出改变设计拔模方向的意见，建议设计者改变局部拔模方向，最终实现尽量不额外使用活块、砂芯和增加机械加工余量等方法提高可铸性，从经济性的角度避免和降低额外的铸造成本投入，从而达到满足铸件整体质量和批量生产的目的。

1.2 拔模斜度

拔模斜度有三种形式，分别是增加厚度法、减小厚度法和加减厚度法。正因为在铸件上添加拔模斜度会人为地减小或加大铸件局部厚度。因此，对于没有拔模斜度的铸件图纸必须与设计者沟通具体的拔模形式，否则，生产出的铸件极有可能无法满足图纸的尺寸要求，因为铸造工作者不明白铸件设计者的初衷可能将拔模斜度搞反；也可能因为拔模斜度形式不明确导致铸造企业与客户之间的尺寸测量结果悬殊过大。

拔模斜度的大小，与铸件材料的壁厚、收缩率和几何形状等有关。砂型铸造铸铁件普遍比金属模或精密铸造生产出的铸件所需的拔模斜度要大；形状较复杂或成型孔较多的铸件一般设计的拔模斜度要大一些；另外凹入较深、高度较大的部位则应取较小的拔模斜度；对于金属模铸造，有时为了在开模时让铸件故意留在凹模内或型芯上，会有意将铸件该面斜度减小或放大。不论拔模斜度的形式和大小如何变化，首先应该满足所需的铸造方法，如果经过评审后确实不能满足特定铸造需要，在新产品开发初期应大胆地向设计者提出修改请求。如因特殊的铸件设计需要，在没有修改可行性的前提下，应考虑优先使用环境友好和经济成本低的增、减铸件局部机械加工余量、使用砂芯或活块等铸造辅助工艺；特殊情况下也可与客户沟通，考虑改变铸造方法、铸造设备来保证铸件拔模要求。

2 补缩问题

补缩问题是铸造企业拿到铸件图纸后，在进行铸造可行性分析的时候遇到最多的问题。铸件设计者在设计铸件时，往往为了保证铸件强度和硬度等可靠性要求，认为铸件壁越厚性能越好，实际上对于常规铸件来说，满足一定强度要求后随着壁厚的不断增加，力学性能反而有明显的下降趋势，甚至反而会恶化铸件强度。原因是超过一定临界壁厚的厚壁铸件中心层的材料晶粒普遍较为粗大，当补缩不足、排气不良时易产生内部缩孔、气孔，外表面凹陷等缺陷，使铸件的机械性能随着壁厚的增加而降低。

不论属于厚壁铸件还是薄壁铸件，如果壁厚较为均匀的话总体铸造难度应该是不大的。这里提到的补缩问题，是那种让人苦恼的铸件壁厚悬殊过大、铸件局部或补缩通道过薄、过窄导致的补缩过程受阻等问题。从铸造工艺的角度出发，当局部壁厚突然增大或急剧减薄时，虽然可以在设计模具的时候人为地增加工艺补贴、溢流块、拉筋和冷铁等方法减少铸件设计不合理带来的影响，但却额外的浪费了宝贵的金属液，增加了切割、打磨等后处理工作量，甚至需要动用气割或者车床、铣床等机械加工设备来去除这些工艺补正量。

3 尺寸问题

这里除了重视因拔模斜度形式不明确造成的铸件尺寸不合格外，还应特别注意尺寸检测设备、检测方法和尺寸公差要求的不同。尺寸问题如果在新产品开发初期处理不当，往往也会造成铸件不合格。

3.1 检测设备和检测方法

对于尺寸检测设备和检测方法的选用，要与铸件设计者做好沟通，避免因为双方检测不一致导致的尺寸问题。有些铸造企业将自己检测合格的铸件发到客户后被告知尺寸不合格，纠其原因好多都是因为检测设备和检测方法不一致造成的。不论是采用平台划线、三坐标还是轮廓仪等尺寸检测设备，都要与客户的检测设备类型基本趋近。同时，检测方法也要与客户保持一致，否则，也会因为方法的差异造成尺寸问题。

3.2 尺寸公差

铸件尺寸公差是指公称尺寸的两个极限尺寸的差值，一般被标注在图纸相应几何尺寸之后或技术要求内。不论是引用哪个尺寸公差标准、哪个公差等级，都要求我们仔细阅读每个尺寸的公差范围。我们常常犯的错误是没有做到逐一评审，以至于铸件生产出来后在检测的时候才发现好多尺寸无法满足公差要求。为了不重复这样的错误，作为铸造工作者就必须在新产品开发初期评审所有尺寸公差，及时找出所采用的铸造方法不能满足的公差要求，与铸件设计者沟通解决方案。

4 质量问题

铸件的质量问题除了几何形状、尺寸等物理度量值外，还通常包括材料问题和铸件内、外部质量。

4.1 材料问题

不论是有色合金还是传统的黑色铸件，都必须与铸件设计者沟通包括铸件化学成分、金相组织、机械性能等铸件对材料本身的要求。有些铸造企业到样件检测的时候才发现因为铸件厚度尺寸偏小，客户要求的机械性能等本体试样根本无法制取；客户要求的延伸率、低温冲击值不增加热处理方法根本无法达到；布氏硬度值与所属材料机械性能严重冲突；化学成分某些元素值几乎无法达到等问题。这也是在新产品开发初期没有做好评审，以及评审后没能就问题点与铸件设计者沟通的结果。

4.2 内部质量问题

常见的铸件内部质量问题包括缩松、缩孔、气孔、夹杂等缺陷。一些严重的孔洞类缺陷破坏铸件结构的连续性，使铸件整体形状不完整、减少铸件的有效承载面积，削弱铸件承受载荷的能力，可能会导致微裂纹缺陷的产生与扩展，从而引起材料宏观力学性能的劣化；此外，由于严重的缩孔、气孔和夹杂缺陷的存在使铸件在孔洞边缘极易引起应力集中，应力集中可使铸件产生疲劳裂纹，降低铸件的机械性能，甚至会发生静载断裂[1]。针对这些内部缺陷问题，采用超声波探伤、X 光设备都是可以明确识别出缺陷位置和尺寸大小的。客户对这些铸件内部缺陷能够接受的范围和程度必须要与铸件设计者逐一明确，以免将带有轻微内部缺陷，但不影响最终使用性能的铸件做报废处理，或者按零缺陷验收等造成的误检、误判的损失产生。

4.3 外观质量问题

常见的铸件外观质量问题包括铸件表面砂孔、渣孔、冷隔等缺陷。因为这些缺陷都集中在铸件外表，目测可以很直观的看出缺陷的位置和大小。有些铸造企业将检测合格的铸件交付给客户后却被告知，有很多铸件在投入机械加工前必须做报废处理，理由是这些外观缺陷超出了客户的预期、超出了所能承受的最大极限。造成这种局面的原因，大多都是没有与铸件设计者沟通、明确铸件外观验收标准。

当然，需要非常明确的还有，不是所有的铸造难题都是铸件设计不合理造成的，随着客户对铸件质量要求的提升以及铸造技术水平的不断进步，铸造难度的增加也是大势所趋。因此，我们必须要继续加大提高铸造工艺的创新能力，同时就遇到的无法解决的问题从以下几个方面建议铸件设计者对铸件结构进行优化；（1）铸件的壁厚应力求均匀，以防止缩孔、热裂等缺陷，当需保证顺序凝固条件时，应尽量使其具有朝一个方向变化的壁厚；当需保证同时凝固条件时，应尽量使其趋向于具有等截面壁厚；（2）铸件壁与壁之间的连接应避免尖角和台阶过大，厚壁与薄壁之间应采用圆角逐渐过渡，不能突变，以免造成热节和应力集中，形成缩松、热裂等缺陷；（3）铸件的局部厚大截面，应尽可能采用铸孔或挖空结构，并以加强肋适当加固；（4）铸件平面壁上的铸孔，可采用凸边加固，以减小整体壁厚；（5）铸件结构应尽可能使其冷却时不要受到过大的收缩阻力；（6）应尽量避免铸件上具有大的水平面；（7）铸件内的气路、水路等大面积的夹层腔，应设置有若干连接柱。

作为铸造企业，特别是铸造过程工艺设计工程师，除了以上提到的几点，还应与铸件设计者沟通铸件各方面的检测标准、检测方法等问题，做好铸件形位公差、粗糙度、机械加工余量等方面的明确工作。只有充分将准备工作做好后，才真正有底气跟客户讨论铸件图纸和技术标准定型事宜。