锥筒壳体铸件的工艺优化

宫显辉，陈海文，王 勇，杨 峰

（1.陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平713105；2.中国船舶重工集团公司第十二研究所，陕西兴平713102）

碳钢因具有较好的综合力学性能，在有较高抗拉强度的同时，兼有良好的塑性和韧性。目前因成本较低、焊接性优良、经正火热处理后切削加工性能良好等特点[1]，广泛的应用于制造形状较复杂的工程用机械零件。低碳钢锥筒壳体铸件是用来安装齿轮传动机构的箱体，承受较大的齿轮轴轴间应力，对壳体的强度有较高的要求，另因在较为恶劣的海洋环境中工作，故对壳体表面及内部质量提出了更高的要求。

1 锥筒壳体的技术要求

我公司生产的锥筒壳体铸件材料为ZG200—400，力学性能满足：Rm≥400MPa，ReH≥200MPa，A5≥25%，Z≥40%，Akv≥30J。铸件表面及内部不允许有缩孔、疏松、气孔、裂纹、夹渣及影响使用的表面或内部等缺陷。装配及受力部位进行超声波、全周身进行着色探伤，满足二级探伤要求。安装在水下进行泵压试验，不允许渗漏和表面裂纹存在。壳体铸件结构如图1所示，形状为锥型筒体，外部有凸台及搭子，内孔两端及中部有法兰。外形尺寸为ø640×585mm，主要壁厚为17mm，最小壁厚为13mm。从结构上看，锥筒和法兰及凸台交接的部位热节较为分散，补缩困难，容易出现组织疏松缺陷，造成铸件打压渗漏报废。其技术难点为：（1）尺寸精度和表面光洁度要求高。（2）铸件表面要全部着色探伤，达到二级要求，而圆筒类壁较薄，受阻收缩时裂纹倾向大。（3）铸件需要在法兰及凸台与筒壁交接部位进行超声检测，要求内部组织致密，不能有缩孔、缩松等缺陷，而这些交接部位由于热节分散，补缩困难。

图1 锥筒壳体铸件的结构简图

2 原工艺方案及存在的问题

2.1 原工艺方案

图2 原工艺设计示意简图

工艺设计时，首先考虑到操作的方便及热节部位的补缩，采取了将壳体横向放置，中间分型的工艺方案，见图2。这样可做成整体芯子定位方便，减少多个芯子产生积累误差，影响尺寸精度。壳体外壁凸台法兰部位结构复杂，壁厚热节较多，放置在下箱，并在加强筋与凸台连接部位的侧面放置冷铁，加速厚大部位的凝固。在上箱顶面加强筋部位放置3个冒口以实现对厚大部位补缩的目的。

2.2 原工艺方案的生产结果及分析

用原工艺方案生产了2件锥筒壳体，产品的化学成分、力学性能均满足要求，但主要问题是壳体外壁凸台法兰与壳体过渡部位产生缩松和裂纹，缺陷位置见图3的剖面线部位，导致探伤不合格报废。较厚大，是热节部位，这一部位从理论上来讲，也是易出现缺陷的部位。另外凸台部位结构较复杂，不规则的结构导致钢水流动阻力大，这一部位的充型就较为困难，虽然冷铁起到一定的加强凝固的作用，但因凸台部位的机构及壁厚原因，使该部位为“较弱部位”，为最后凝固的位置；冷铁的使用也有两面性，因连接部位的冷铁激冷导致金属液对热节部位的补缩能力下降，热节位置处的形状不规则，充型过程该部位易产生紊流，导致形成的气体不易排出；再加上凸台离冒口位置远，补缩不畅易导致缩松和裂纹等缺陷问题的产生。

3 优化后的工艺方案及结果分析

图3 出现缺陷问题部位示意图

经分析认为，铸钢从材质特点来说，铸造性能较差，流动性较低，体收缩和线收缩都偏大，凝固方式为逐层凝固，容易形成缩孔、疏松等缺陷[2，3]。锥筒壳体外壁上的凸台法兰与壳体过渡部位壁厚前面的产品结构分析已明确，锥筒壳体铸件的重量约240kg，主要壁厚为18mm，最小壁厚为14mm，该壁厚已接近理论上含碳量不大于0.20碳素钢的临近铸造壁厚值，低碳钢铸件的合理铸造壁厚在25mm左右[4]，该产品属于薄壁件，且结构不规则，该锥筒壳体外壁上的凸台法兰处热节较多，这些都会增加钢液在铸件中补缩时的流畅性及效果。另外该铸件在结构设计中，在壳体的两端端口和中间部位增设了加强筋，一方面减轻了铸件的重量，另一方面加强筋能够有效的增加铸件的力学性能、防止了裂纹变形等缺陷的产生。但加强筋在液体补缩过程中消耗了大量的冒口中的钢液，加强筋与外壁上凸台连接部位设置了冷铁，增加了过渡部位的冷却速度，也影响了钢液对凸台连接部位的补缩，这也是导致凸台热节部位出现缺陷的一个重要因素。针对原工艺方案出现的问题，对工艺方案进行了调整，见图4。仍采取将壳体横向放置，中间分型的工艺方案，芯子与原方案一样为整体芯子，这样利于尺寸精度的控制和便于操作。不同之处是取消了原来在加强筋与凸台连接部位侧面放置的冷铁，将铸件的上下位置进行了倒置，在凸台中间的圆环上放置一个环形冒口（2#），在凸台两侧各放置一个冒口（1#，3#），冒口根部的凸台位置增加了补贴，目的是让凸台部位最后凝固。用冒口中的钢水对热节部位进行补缩，以达到消除缩松和裂纹缺陷，实现内部组织致密的技术要求。另外考虑到锥筒壳体壁薄，受阻收缩时裂纹倾向大的特点，在工艺方案设计时考虑了增加型砂的退让性的要求。在配箱时采用了在不同部位用压泥块测量型腔间隙尺寸的方法，有效确保了铸件壁厚的均匀。

图4 改进后的工艺设计示意图

在改进工艺方案时，我们充分研讨了出现问题的原因，经研讨认为，防止铸件产生缩孔和缩松的基本原则是对合金的收缩和凝固特点制定正确缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方，这样在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中。在这一理论的指导下，我们采取了上述将凸台放置在最上面的方案。考虑到凸台壁厚较薄，不利于实现顺序凝固的情况，故增加了补贴，这样虽然改变了凸台原来的结构，增加了加工余量和清理打磨工作量，但能够有效确保补缩效果。冒口和补贴的综合运用，是消除铸件中缩孔和缩松的有效措施。

铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算和缺陷判据这三部分[5]，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，用以评判铸造工艺设计的合理性，减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本和提高工艺合格率。为了进一步分析该工艺的科学合理性，我们对新设计的工艺方案进行了铸造凝固仿真分析。从凝固过程来看，在充型模拟过程中，一方面结合金属液在浇冒口系统和型腔中的流动状态，优化了浇冒口设计，通过仿真浇道中的吸气、排气过程，消除了流股分离和避免氧化，减轻了金属液对铸型的侵蚀和冲击；另一方面，通过分析充型过程中金属液及铸型温度的变化，预测了缩松、缩孔等过程的分析，对浇道、冒口及补贴等尺寸进行了优化，经模拟验证冒口放置在凸台上的新工艺方案补缩顺畅，补贴的应用确保了冒口中金属液对热解部位的补缩，凝固顺序良好，热节处没有大的孤立液相区，不会产生缩孔、缩松缺陷，可以满足探伤要求。

用改进后的工艺方案生产了3件锥筒壳体，产品的化学成分、力学性能均满足要求，壳体外壁凸台法兰与壳体过渡部位经检测未发现缩松和裂纹等问题，产品的超声波和着色探伤达到了二级标准，经泵压试验，未见渗漏和表面裂纹的发生，满足了铸件验收要求。

4 结论

（1）对锥筒壳体等形状不规则的锥形筒体薄壁碳钢铸件进行铸造工艺设计时，要充分考虑热节部位的补缩通道畅通，在不能确保热节部位先凝固的条件下，应采用冒口最后对热节部位进行充分补缩，实现消除铸造缺陷的目的。

（2）在工艺设计中，应用铸造凝固仿真分析是提前预防铸件缺陷产生的有效措施，能够有效缩短试制周期，对工艺方案的科学合理性进行有效验证。