重卡铸件前伸梁的工艺改进

白利权

（陕西金鼎铸造有限公司，陕西岐山 722408）

关键字：前伸梁；工艺改进；废品率；冷铁

某重型卡车上使用的前伸梁是一种典型的集成型支架，结构复杂，平板和凸台相组合形成主体结构，前伸梁铸件重量为43 kg，轮廓尺寸为633 mm×520 mm×217 mm，主要壁厚为10 mm，局部带凸台厚度达62 mm，属于中小型铸件产品，铸件结构图如图1所示。由于铸件与其他装配件连接较多，要求不得有气孔，砂眼，缩松等铸造缺陷。

图1 前伸梁产品结构

1 原生产工艺及存在的问题

1.1 原工艺

原工艺分型方式见图2.在样件试制阶段采用木质工装生产，该件采用潮膜砂148K W线组织生产，砂箱内尺寸为800 mm×600 mm，每型布置1件，产品主要模数大于0.63c m，铸件凝固模数小于2.5 c m，不满足无冒口铸造条件，需设置冒口补缩，而由于产品结构原因，凸台结构较多，平板和凸台相组合处容易形成热节，需采用冷铁激冷，防止铸件厚壁、热节处缩松；根据分型面位置确定砂芯2个/件，无法出模区域1个，开档空腔区域1个，采用树脂砂手工制芯，根据顺序凝固原则使用冷铁16块，φ50mm×35 mm冷铁15块，40 mm×90 mm×25 mm冷铁1块，冷铁分布方式如图3所示。浇注系统尺寸为：直浇口尺寸φ40mm×200mm，横浇口尺寸35mm×25mm，内浇口尺寸35 mm×8 mm，溢流冒口1个尺寸为φ70mm×80mm（冒口颈尺寸为30mm×12mm）.产品前期开发的木质工装工艺图见图4，型板布置图见图5.

图2 原分型面位置

图3 冷铁放置位置三维示意图

图4 原工艺图

图5 原型板布置图

1.2 存在的问题

1）因铸件轮廓尺寸大，每件使用两个砂芯，砂芯重约57.5 kg，重量较重，成本较高，工人劳动强度大，生产效率低（两人需借助下芯工具将芯子下入型腔），下芯难度大；

2）生产时，在芯盒里放置14块冷铁，型腔放置2块冷铁，严重制约生产效率，冷铁数量多，工人需打磨冷铁，给冷铁表面涂涂料，增加了工人的劳动强度；

3）铸件在下芯过程中容易产生挤砂、掉砂、下芯不到位等现象，致使铸件产生缺肉、多肉、飞边、毛刺、错台等缺陷，废品率达50%.

1.3 原因分析

1）因受造型线限制，分型面的选取有一定的局限性，铸件无法出模区域不能设计成砂胎自带，必须使用砂芯形成该处结构，从而决定了生产效率低，生产成本高等特点；

2）前伸梁铸件壁厚不均布，凸台结构较多，易形成孤立热节，冒口放置位置又不易补缩，所以需在热节处放置冷铁，使该区域加速冷却，强化了铸件方向（顺序）凝固的条件，有利于铸件提前凝固，防止铸件产生缩松、缩孔的缺陷；

3）手工自硬砂制芯，在生产过程中，容易磕碰，后续用砂芯修补膏还原结构导致砂芯尺寸精度差；砂芯重量重，下芯很难操作，因芯子覆盖区域大，很难观察是否下到位；铸件好几处凸台是由砂芯形成的，砂芯存在磨损时，凸台结构不完整。

2 工艺改进及改进后效果

2.1 改进后的工艺方案

后续因生产需求量增多，需大批量生产满足顾客需求，决定开发金属模具。

新工艺采用潮膜砂K W线生产，结合其紧实度高、自带砂胎能力强等特点，确认分型面位置见图6.模具采用金属工装保证精度的同时，芯子采用25 L冷芯盒制芯。砂芯共用，可在侧面芯头部位不影响使用强度的同时较大幅度减轻，砂箱尺寸为：1 300 mm×800 mm，每型可布置左右件各1件，确定砂芯结构如图7所示，内浇口位置如图8所示。且K W线铸型硬度相对较高，就此件结构及模数而言铸型可视为刚性硬铸型，只需进行充分液补，然后利用石墨化膨胀抵消凝固收缩即可[1]。铸件较大，浇注系统应该分散多道引入，避免因引入过集中而形成新的接触热节[2]；采用中间注入式浇注系统，容易充满，可减少薄壁件浇不到、冷隔方面的缺陷；内浇道基本在淹没的状态下工作，充型平稳；可避免金属液发生激溅、氧化及由此而形成的铸件缺陷[3]。14根φ10 mm×65 mm通气针分布在前伸梁凸台中间位置，从冒口颈和薄片浇道两道进水口进铁水，避免单独从冒口颈进水过热；孤立热节处放置2块冷铁，采用冷铁平衡壁厚差，消除热节。按照反向设计顺序，以最小阻流面积当内浇口，根据最小阻流面积反推出横浇道面积和直浇道面积，冒口尺寸按照热节圆法计算，冒口颈尺寸按照经验值计算。根据阻流断面设计法确定最小阻流面积，计算方法见下：

根据经验公式

式中:τ—浇注时间，s；m—铸件或浇注金属质量，kg；k—系数。根据经验推荐值选取m=94 kg，k=1.68，代入公式（1）计算出浇注时间为16 s；）

式中：m—流经断面的金属液总重量，kg；ρ—金属液密度，g/c m3；μ—流量损耗系数；τ—浇注时间，s；g—重力加速度，c m/s2；H—平均静压头高度，c m.

根据经验推荐值取 m=94 kg；ρ=6.9 g/c m3，μ≈0.55，H=24 c m，g=981 c m/s2.将（1）式 τ=16 s代入公式（2）计算出最小断面面积为7.13 c m2；选用半封闭式浇注系统按浇口比ΣS内∶ΣS横∶ΣS直=3∶8∶4，选取阻流截面尺寸为30mm×10 mm和40 mm×3 mm，横浇道尺寸为35 mm×35 mm和25 mm×25 mm，直浇道为φ36 mm×300 mm，具体型板布置图尺寸如图8所示。

图6 KW线分型面

图7 KW线工艺图

2.2 新工艺验证情况

1）新工艺每型左右各1件，采用1个共用砂芯，重量为7.5 kg，砂芯重量减轻50 kg，一个人可完成下芯操作，生产效率明显提升，生产成本明显降低，同时避免了芯子间配合引起的尺寸精度低等问题；

图8 KW线型板布置图

2）新工艺解决了下芯及合箱过程中产生的挤砂、掉砂缺陷；

3）新工艺杜绝了因芯子间配合而产生的披缝厚，错台，飞边严重，清理难度大的问题；

4）铸件表面质量明显改善的同时提高了产品的市场竞争力；

5）新工艺生产时，发现凸台处有缩孔缺陷如图9所示，占比30%.

2.3 计算机模拟改进缩孔

针对在K W线生产时凸台产生缩孔缺陷，利用计算机数值模拟技术，查看凝固顺序，发现该处凸台最后凝固，属于孤立热节，如图10所示。在内侧凸台表面增加φ50 mm×50 mm冷铁后（见图11），重新模拟效果较好，孤立热带消除，模拟结果见图12.凸台处提前凝固，解决了缩孔缺陷。运用计算机模拟技术，可以有效分析缺陷产生的原因，并实时模拟改进，降低生产成本，提高工作效率。

图9 凸台缩孔位置

图10 改前模拟凝固顺序云图

图12 改后模拟凝固顺序云图

图11 凸台内侧增加冷铁三维示意图

按此工艺调整型板后生产，生产情况稳定，废品率为1.3%.

3 结论

1）铸造工艺由1件/型优化为各2件/型；由铸型600型/天提升为1 100型/天；由手工自硬砂制芯优化为25L冷芯盒；芯子重量由57.5 kg/件降至7.5 kg/件；冷铁数量由16块/件改为5块/件。废品率由30%降至1.3%，提高生产效率，降低成本，满足客户需求。

2）前伸梁这种主体为平板结构的铸件应采用多道分散浇注，比集中浇注更有利于温度场分布均匀，减少工艺热节造成的缩孔、缩松缺陷。

3）选取适当浇注系统截面比，可有效排气和阻渣，保证金属液平稳充型。