球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计分析范文

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。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。

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.

作者：毕海香 李继超 杨恒远 于建忠 单位：潍柴重机股份有限公司山东潍坊 潍柴动力股份有限公司