基于数值模拟的球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计开发

2020-02-23毕海香李继超杨恒远于建忠

金属加工(热加工) 2020年2期

关键词：热节铁液冒口

毕海香，李继超，杨恒远，于建忠

1．潍柴重机股份有限公司山东潍坊 261108

2．潍柴动力股份有限公司山东潍坊 261108

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527mm×302mm×118mm，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135～185HBW。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1340～1350℃。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。

图2 铸造工艺方案

图3 工艺模拟

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。

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φ100mm×130mm改为φ120mm×170mm，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。