30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!

简述了发动机缸盖类铸件、轮类铸件、框架类铸件、泵壳阀类致密性铸件等几种典型铸铁件采用将铸件分割置于上、下型的做法,甚或是铸件全部设置于上型的工艺方案,分析了其容易导致气孔、浇不足、冷隔、缩孔、缩松、错边等铸造缺陷的原因。采用铸件全部设置于下型的工艺方案后,因其具有型腔排气充分、可优化设计浇注系统、可优化设置冒口系统、铸件错箱缺陷少、铸件加工余量少等优点,生产实践表明,采用此工艺后铸件合格率大幅提高,可获得内部组织更加致密、外形更加美观的高品质铸件。

    笔者根据30年的工厂铸造生产实践,对较多铸件形成气孔、缩孔、缩松、浇不足、错箱等缺陷的成因进行分析后,认为:要使铸件合格率达到较高的水平,在铸造工艺方面,除需在铸件的浇注系统、冒口系统的优化设计、冷铁的优化设置等外,铸件分型面位置(设在铸件中部和设在铸件顶面)的选择极为重要。


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几种铸件常用铸造工艺的不足

分型面位置(设在铸件中部与设在铸件顶面)的选择极为重要地影响着铸件合格率的高低、造型的难易程度等。笔者认为:砂型铸造生产中结构完全设置在下型的铸件,其铸件的造型、下芯、合型操作较为简便,铸件合格率较高。在铸造生产实践中,确实有很多类型的铸件的浇注位置本可以实现铸件结构全置于下箱,上型只须设置铸件的浇冒口等工艺结构;也有较多类型的铸件的浇注位置在辅以砂芯或中箱或曲面分型等工艺措施后,亦可以实现其铸件设置于下型(或主要部分置于下型)。然而,在现实生产中有很多的铸件,尤其是以下几类典型结构的铸件,很多铸造厂仍经常采用将铸件分割置于上、下型的做法,甚或是铸件全部设置于上型的工艺方案。生产实践表明,这种方法较容易导致气孔、浇不足、缩孔、缩松、错边等铸造缺陷。

1.1发动机缸盖类铸件


    各类发动机铸铁(钢)缸盖类铸件的砂型铸造,普遍采用的是一些常用手册或教科书上通常推荐的图1所示的上、下箱各置铸件一半结构的浇注位置铸造工艺方案。
    1所示的发动机缸盖类铸件上、下箱各置一半铸件结构的浇注位置铸造工艺方案,在生产中铸件易产生气孔、浇不足、冷隔等缺陷。该种状态在我国无论南北的铸造厂都是极为普遍存在的,而且通常都是该类铸件的主要缺陷,尤其是气孔通常为该类铸件废品缺陷的第一要因,是相关工厂铸造生产中多年存在的老、大、难技术问题。
    在工厂的实际生产中,为解决该缸盖类铸件气孔等铸造缺陷,较为普遍的方法是采用粗粒度的型砂(45/75目)、在上下砂型背面各扎出多个不穿透的出气孔(道)、在铸件的上表面的搭子上设置众多个出气针及其出气片结构、设置若干个出气冒口,以及提高铁液的浇注温度至1410℃(以上)等工艺措施。然而这会使得造型工艺复杂化,以及使铸件的表面质量降低和增加铸件清理(抛丸)的难度和铸造生产成本。

30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!的图1

1.2轮类铸件


    各类铸铁(钢)轮类铸件的砂型铸造,亦普遍采用的是一些常用手册或教科书上较为通常推荐的图2所示的上、下箱各置铸件一半铸件结构的浇注位置铸造工艺方案。
    轮类铸件在铸造时容易出现缩孔、气孔、夹砂、裂纹和砂眼等铸造缺陷,或容易出现缩孔、裂纹、砂眼缺陷。轮类铸件的图2所示上、下箱各置一半铸件结构的传统铸造工艺方案,该种工艺方案(状态)在各类铸造厂都较为普遍存在,其气孔、缩孔等缺陷亦通常为该类铸件废品的主要因素。
30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!的图2
    在工厂生产实际中,为解决该轮类铸件气孔、缩孔等铸造缺陷,亦普遍采用粗粒度的型砂、在上下砂型背面各扎出多个不穿透的排气孔(眼)、多设置出气针或出气冒口,以及提高铁液的浇注温度等工艺措施,亦使得造型工艺复杂化以及使得铸件表面质量降低;为解决该轮类铸件缩孔等铸造缺陷,以设置较大尺寸的边冒口或侧耳冒口网,从而又会降低铸件工艺出品率和砂箱的面积利用率。

1.3框架类铸件


    各种铸铁框架类铸件的砂型铸造,有较多的铸造厂采用图3a)所示的上下箱各置铸件一半结构的浇注位置的传统铸造工艺方案,或图3b)所示的上、中、下箱根据铸件结构各置一部分铸件结构的铸造工艺方案。
给纤框图用图3a)所示的上、下箱各置铸件一半结构的浇注位置的传统铸造工艺方案,在实际铸造生产中铸件易在冒口颈处产生缩孔缺陷。而核电行星架球墨铸铁件用图3b)所示的上、中、下箱根据铸件结构各置一部分铸件结构的铸造工艺方案,该工艺方案在西南某厂采用的铸造生产方式是:水玻璃砂造型、制芯(铬铁矿砂制作特异小砂芯),一箱一件,大量设置冷铁,阶梯进液的浇注生产方式;加之其原始铸造工艺方案未设置适宜大的排气冒口,铸件在其浇注位置的顶面产生较多较大的气孔缺陷,且在顶面6个较大的热节处(A~F处)还间或产生缩孔缺陷。
为解决图3a)所示给纤框的缩孔缺陷,一些铸造工作者往往采用加大冒口的工艺措施,而使得其铸件的缩孔缺陷变得更大。为解决图3b)所示核电行星架大型球铁件的缩孔缺陷,传统的工艺措施是在顶面的6个热节处(A~F处)各设置一个大冒口(在图3b的原无冒口工艺方案的基础上改为其图示的大冒口工艺方案),而大冒口工艺方案进一步使得A~F 6个热节处(冒口颈)的缩孔缺陷更为严重。

30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!的图3

1.4泵壳阀类致密性铸件


    泵、壳、阀类(液压)致密性铸件按传统的铸造工艺理念,往往将其重要加工面(大面)朝下,以保证其加工面的质量和便于下芯,通常采用图4所示的加工面朝下的浇注位置的传统铸造工艺方案。
        4所示铸造方案的主要工艺特点是:铸件的主(重)要加工面(或大面)朝下、下芯方便(砂芯小)、铸件结构大部分或全部置于上箱、金属液浇注以底注式进液为主。生产实践中泵、壳、阀类(液压)致密性铸件采用图4所示加工面(大面)朝下的传统铸造工艺方案较为多见,但其铸件易产生错箱、缩孔、缩松、气孔类铸造缺陷。
        为解决图4所示泵、壳、阀类液压铸件(通称高致密性铸件)的缩孔、缩松缺陷,一些铸造厂通常所采用的工艺措施亦是加大冒口,乃至设置保温冒口,其铸件的缩孔、缩松缺陷亦难有效地解决,铸件的致密度很难达到其较高的致密性技术要求。为解决图4所示工艺方案铸件的气孔缺陷,普遍的工艺措施亦是提高型砂的透气性及出气冒口以增加型腔的排气面积,以及提高金属液的浇注温度。

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铸件设置于下箱工艺方案的优点

分析图1至图4所示的几种典型铸件传统的铸造工艺方案,该几类铸件易产生或(间或)产生气孔、缩孔、缩松、错箱等铸造缺陷,笔者认为其共同的主要成因之一是:铸件的重要结构、或全部结构设置于上箱的浇注位置。
根据笔者30年来的铸造工厂生产实践经验总结和思考认为:铸件结构全部设置于下箱(铸件结构自然允许者)、或创造(工艺)条件将铸件全部结构或铸件重要结构设置于下箱,是解决众多黑色金属铸件砂型铸造易产生气孔、缩孔、缩松、错箱等铸造缺陷的最好浇注位置设计方案,亦即笔者极力主张砂型铸造铸件下箱优先设置,如图5至图8所示。铸件结构下箱优先设置方案,比之于图1至图4所示的铸件传统的浇注位置铸造工艺方案,主要具有如下几个方面的工艺优点。

30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!的图4

2.1型腔排气充分


5至图8所示的铸件分型面设置方案,铸件结构全部设置于下箱、或创造工艺条件将铸件全部结构(或铸件重要结构设置于下箱)的浇注位置铸造方案,其极为重要的铸造工艺优点之一便是:充分地利用上、下箱的分型面对型腔进行排气,其分型面是一个天然(自然)的排气面,而且其处于铸件的最高面处(铸件结构自然允许其全部设置于下箱或创造工艺条件将铸件全部结构设置于下箱)或其处于铸件主要结构的最高面处(创造工艺条件将铸件重要结构设置于下箱)。
这种分型面处于铸件顶面或铸件主要结构面,利用分型面排气的方式是砂型铸造工艺中极为可靠、有效和充分的排气方式和途径,是解决相关黑色金属铸件砂型铸造气孔缺陷的重要工艺方法和技术措施。

2.2可优化设计浇注系统


5至图8所示的铸件浇注位置及分型面设置方案,因铸件结构全部设置于下箱、及创造工艺条件将铸件全部结构或铸件重要结构设置于下箱,其为铸件浇注系统的优化设置创造了基础(工艺)条件,铸件可很好地设计出顶注式浇注(系统)方式。
    顶注式浇注(系统)方式,因其能使金属液在型腔的温度梯度分布呈上高下低的正温度梯度状态,一方面十分有利于浇注系统及上层高温金属液对下层低温金属液的液态冷却收缩进行有效地补缩;另一方面,顶注式进液过程中、后进人型腔的金属液,可不断地使先进入型腔中的金属液的液面形成的固态膜破裂,从而极为有利于金属液中气体的溢出。

30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!的图5
30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!的图6
30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!的图7
30年生产实践总结:4类常用铸件的工艺不足分析+改进方法!的图8

2.3可优化设置冒口系统


5至图8所示的铸件浇注位置及分型面设置方案,因铸件结构全部设置于下箱、及创造工艺条件将铸件全部结构或铸件重要结构设置于下箱,也为铸件冒口系统的优化设计创造了基础(工艺)条件,铸件可很好地设计出压边冒口系统型式或其它类似于压边冒口之优化型式的顶冒口系统。
压边冒口系统型式(或其它优化型式的顶冒口系统),结合上述金属液在型腔中的温度梯度分布呈上高下低的正温度梯度状态,一方面十分有利于冒口系统对下层低温金属液的液态冷却收缩进行有效地补缩;另一方面,压边冒口系统型式因其在金属液自始至终充型的过程中处于铸件结构的最高处(或冒口因其在金属液自始至终充型的过程中处于铸件重要结构的最高处),极为有利于型腔中及金属液中气体的溢出。

2.4铸件错箱缺陷少


    铸件结构全部设置于下箱,即用图5至图8所示的铸件浇注位置及铸件分型面设置方案,铸件全部(或绝大部分铸件结构)由下型铸出,有内腔结构的铸件亦可用砂芯或上型砂胎较精确的定位后铸出。由此可见,用图5至图8所示的分型面设置方案比之于铸件用图1至图4所示传统的浇注位置铸造工艺方案铸出的铸件,避免了或有效地降低了铸件错箱缺陷的产生,大大地降低了由于铸件尺寸不合格而导致的铸件废品率。

2.5铸件加工余量少


铸件结构全部设置于下箱、及创造工艺条件将铸件全部结构或铸件重要结构设置于下箱,用图5至图8所示的铸件浇注位置及分型面设置方案,可较好地减小铸件的加工余量,减小(少)铸件飞刺。
减小铸件的加工余量,主要表现在以下几个方面:其一,铸件结构全部(或主要结构)设置于下型,只有下模一个方向的拔模斜度及错箱的可能性小,其铸件侧面的加工余量可适当减小;其二,因铸件的浇冒口设置于图5至图8所示的浇注位置的铸件顶面(即分型面或加工面),可以免去图1至图4所示铸件传统的铸造工艺方案在一些铸件的非加工面设置冒口而增加的工艺加工余量。
减小铸件飞刺,主要表现在铸件结构全部(或主要结构)设置于下型、其分型面在铸件顶面,可减少(小)50%左右分型面在铸件中部时传统的防压环结构,故而铸件用图5至图8所示的铸件浇注位置及分型面设置方案可比图1至图4所示传统的浇注位置铸造工艺方案至少减少40%~50%的铸造飞刺。

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结论

 生产实践表明,铸件结构全部设置于下箱,即用图5至图8所示的铸件浇注位置及分型面设置方案比之于铸件用图1至图4所示传统的浇注位置铸造工艺方案铸造铸件,具有以下几个主要技术优点及经济效果:
1)有利于克服气孔、缩孔、缩松、错箱等铸造缺陷的工艺优点,故其铸件的合格率高,尤其是可大幅度地提高气密性铸件的铸造合格率(可从常用铸造工艺方案的30%~40%提高到铸件结构全部设置于下箱工艺方案的95%左右);
2)具有加工余量少,铸件的工艺出品率较高及砂箱面积利用率高的优点;
3)获得内部组织更加致密、外形更加美观的高品质铸件。

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