整体式铸钢桥壳铸造工艺优化

李世星，周大庆

（泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000）

整体式桥壳主要应用于特种汽车承重桥，为车桥系统中核心零部件之一，其使用工况包括高原、盐碱、荒漠等多地形、多纬度地区，满载状况下需要承受较高的冲击载荷。某型整体式桥壳铸钢件在铸造时，因支座等部位热节孤立，不易获得致密组织，影响整体式铸造桥壳的机械性能，无法满足铸件使用要求。

此型整体式桥壳材质选用ZG40Mn，铸件结构如图1 所示，尺寸约2 160 mm×400 mm×314 mm，壁厚15 mm～25 mm，铸件毛坯重约300 kg.

图1 铸件三维模型示意

1 原始工艺方案及分析

图2 所示为整体式桥壳原铸造工艺方案。该方案采用水玻璃砂工艺，两箱造型，砂型及型芯表面涂刷醇基涂料2 遍。桥包上方设置φ70 mm 明冒口一个，桥壳的支座上方设置230 mm×75 mm 腰形暗冒口一个，桥壳两端元宝型转向节端口分别放置φ120 mm×200 mm 明冒口一个，桥壳φ30 mm 以下孔均不铸出。此铸件采用常规中注式浇注系统，横浇道、内浇道均开设在中分面，浇注系统横截面积比为∑A直∶∑A横∶∑A内=1.0∶2.0∶1.4，以上设置均有利于铸件的补缩与凝固[1-3]。

图2 原始铸造工艺方案

2 存在问题及分析

对原始工艺进行模拟，并结合实际生产发现，原工艺方案存在以下问题：

1）以原工艺生产的铸件侧壁管壁凸台部位钻孔后部分孔内存在缩孔缺陷。如图3 所示，桥壳支座在固相率75%以上存在孤立液相区，极易形成缺陷。经试制成品现场钻孔后确认，支座部分存在部分轻微缩孔、缩松缺陷；

2）推力杆支座存在缺陷。如图3 所示，铸件的推力杆支座因冒口1 放置位置，导致底部无法补缩到位，经钻孔后发现部分缩孔缺陷；

图3 原工艺方案凝固模拟结果

3）由于铸件本身长约2 160 mm 以及原铸造工艺设计的直通型的浇注系统，导致加工时部分桥壳有超差变形、无法加工的情形。

模拟结果表明：桥壳桥包因较薄优先凝固后桥壳两侧管壁陆续凝固，当固相率达到75%～90%时，图4 所示部位均出现孤立的液相区且这些孤立的液相区相继出现在铸件的内部，冒口无法提供有效补缩，极易导致在凝固结束后这些部位均会出现缩孔或缩松等缺陷。

图4 原工艺方案缩孔缩松判据

3 工艺改进措施及结果

针对模拟结果及试制过程中支座或凸台部位出现的缩孔、缩松缺陷，将现有冒口尺寸进行相应的调整，并辅以外冷铁调整铸件周围温度场[4]。对于部分铸件变形的情形，将部分横浇道改变为曲折状[5]，降低浇注系统对铸件收缩变形的影响，如图5 所示：

图5 改进后铸造工艺方案

1）将图2 中1 号冒口增大为230 mm×90 mm×150 mm，增加冒口补缩能力；

2）将图2 所示序号4 浇道与铸件侧边凸台增加2 个侧边冒口，尺寸为φ100 mm×250 mm，增加冒口对铸件热节的补缩；

3）将图2 所示序号4 内浇道数量增加为4 个；所示序号3 横浇道改变为曲折状，降低细长铸件变形倾向；

4) 在桥壳侧壁凸台部位增加多个外冷铁调整铸件温度场、增加凸台厚大部位的激冷作用，有利于调整铸件凝固顺序，减少集中缺陷聚集；

5）调整桥壳模型尺寸，将桥包模型外皮增加补正量1mm，主减装配面端口侧面尺寸整体补正+2mm，减少因变形超差导致桥壳端面无法钻孔的情形。

图6 所示为整体式桥壳优化方案凝固模拟结果，表明凝固过程铸件内部无孤立液相区，冒口为最后凝固区域，缺陷都移到冒口内部，改进后铸造工艺除部分离散缺陷，铸件本体基本无明显缺陷。

图6 整体式桥壳优化方案凝固模拟结果

4 实际生产验证

实际浇注单件产品如图7 所示，消耗钢液重量约450 kg，其中铸件约280 kg，铸件工艺出品率约为62%.首批试生产共计6 件铸件，经落砂、切割、清理、打磨等工序后对铸件进行外观、无损检测及水压渗漏实验，检测结果良好，满足使用要求。另随机挑选1 件桥壳进行切割验证，肉眼检测无可见缺陷，探伤合格。

图7 铸件成品

5 结语

针对前期试制过程中铸件出现的部分缺陷，利用数值模拟技术模拟了整体式桥壳初始铸造工艺方案并进行工艺修改及试制验证，结果表明：

1）增加、增大冒口，增加外冷铁，采用优化后的浇冒系统，有效改善了铸件的内部质量，较好解决了铸件缩孔及缩松缺陷。铸件工艺出品率为62%，整体式桥壳铸件的缩孔缺陷得到了较好的控制。

2）经样件试制验证，数值模拟软件可以比较准确模拟凝固过程中的缺陷位置，并能根据原有方案中缺陷位置进行工艺方案优化，使铸造缺陷保持在企业可接受范围内。通过铸造过程数值模拟改进及样件试制有助于企业技术人员提高铸件开发能力，降低新产品开发风险。