大型铸造砂箱结构及铸造工艺设计探讨

齐 建 ，陈 鹏 ，秦 鹏 ，张永青 ，谭传宝

（1.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061；2.潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 261108）

铸造用砂箱是铸造厂必不可少的工艺装备，主要用于承载并定型砂型、使得金属液浇入砂型之后获得形状完好的铸件，特别在多品种小批量生产时，因铸件形状不同，大小不一，需要砂箱的规格也不同。

根据公司规划，需要进行大型船用发动机开发，在机体铸造工艺开发中需要进行砂箱的设计制作。机体铸件采用碱性酚醛树脂自硬砂工艺生产，手工造型、制芯，确定为三箱水平造型工艺。在满足铸造工艺要求的前提下，为了确保足够的强度和刚度，在使用中要保证不断裂或发生过大变形；并且对型砂有足够的附着力，使用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂；砂箱载重大又要长期使用。基于以上考虑决定采用整铸式球墨铸铁砂箱。

1 砂箱设计

砂箱在铸造车间配合行车使用，需满足造型、合模、开箱等操作需求，应设计为可吊运、翻转式结构。根据工艺要求，一套砂箱设计为上中下三扇。

砂箱外形为长方形，单层壁结构，有吊轴、吊耳，箱壁有排气孔，有箱带以提高砂型的强度；砂箱的两端设有箱耳，用于安装定位销和定位套，以确保造型合型的定位精度；在砂箱上设有紧固结构；单扇砂箱采用整铸式。

1.1 砂箱尺寸

砂箱名义尺寸是根据机体铸件轮廓尺寸、铸造工艺、每箱生产件数、吃砂量要求确定的。另外设计砂箱时长度和宽度应是50或100的倍数，高度应是20或50的倍数。基于以上考虑，下、中、上砂箱内框尺寸（长×宽×高）定为6 500 mm×2 800 mm×550 mm/700 mm/750 mm.

2.2 箱壁

砂箱壁的断面形状、尺寸影响强度和刚度。本砂箱为手工多箱造型，中箱因无箱带，将三扇砂箱均设计成上、下两面带内外凸缘结构。内凸缘防止砂型在翻转、搬运过程中塌落；外凸缘增加砂箱强度和刚度，并可加大接触面积而减少接触应力。为减小砂箱壁的厚度而不影响砂箱的强度和刚度，在砂箱壁的外侧做出纵向和横向加强肋，并避开砂箱的定位和紧固。砂箱的箱壁结构如图1所示。

图1 箱壁和纵、横向加强筋示意图

1.3 箱带

砂箱为大型砂箱，应设计箱带，以增加对型砂的附着面积和附着力，提高砂型总体强度和刚性，防止塌箱和掉砂，延长砂箱使用期限；但箱带使填砂和落砂困难，限制浇冒口的布局。

将上、下砂箱的箱带布为长方形方格，箱带间距设计为300 mm～550 mm，箱带高度取值为砂箱高度的0.3倍,如图2a）、c）所示；中砂箱箱带则根据附着砂型的尺寸设计异型箱带；箱带布置如图2b）所示。另外砂箱的局部最小吃砂量为45 mm，分型面处的吃砂量为162 mm；避让开了浇冒系统、排气系统等

1.4 砂箱定位

图2 上、中、下砂箱箱带布置示意图

砂箱采用定位销进行定位，因此需同时考虑箱耳的设计。砂箱的定位装置由箱耳、销套、定位销三部分组成，（箱耳仅以下砂箱示意，其他砂箱此结构相同）如图3所示。

图3 砂箱定位示意图

1.4.1 箱耳设计

箱耳的尺寸应足够大，以便加工和安装定位销；箱耳的高度应低于分箱面，（如图3中所示10 mm间隙）防止变形后造型时砂箱与型板出现间隙或合箱时砂箱配合面产生间隙。

1.4.2 定位销套、导向销套

为了增加耐磨性，延长砂箱使用寿命，在箱耳的销孔内镶销套。另外砂箱在使用过程中，由于受热或受型砂张力作用，很容易变形，使两端定位销的中心距增大，为防止这种情况的产生，将砂箱一端的销套内孔做成圆形起定位作用；另一端的销套内孔做成椭圆形，以补偿上、下两砂箱定位孔间距的误差。此类销套的材质一般为45#钢，经淬火处理后洛氏硬度达到HRc40～HRc45方可，尺寸如图4所示。

1.4.3 定位销

选择定位销的长度要考虑砂箱的高度，砂箱高度不大时用合箱插销，高度大时用合箱座销，定位形式如图5所示。在造型过程中定位销一般会以座销的形式安装在型板上，所以采用座销的方式进行定位（d式）；而在合箱过程中定位销的使用方式比较灵活，中间箱可用座销形式（d式），上箱采用插销（c式）的方式进行，可根据实际需要进行选择。定位销一般为45#钢经淬火处理后洛氏硬度达到HRc40～HRc45 方可[1]。

1.5 搬运、翻箱结构

图4 定位销套、导向销套

图5 合箱销形式及尺寸

设计砂箱上搬运和翻箱结构主要应考虑安全可靠，方便灵活。主要结构形式有箱把、吊轴、吊环、插轴式吊耳等。箱把用于小砂箱，吊轴广泛用于各种中大砂箱，吊环、插轴式吊耳主要用于大型砂箱。这些吊运结构应以一次起吊一叠铸型的最大重量作为计算吊轴或吊环的依据，应给出较大的安全系数。本砂箱同时采用吊轴和吊环两种结构进行设计。

吊环、吊轴和手把一般用钢材制造，用铸接法同砂箱相连结，铸接必须牢靠。吊轴、吊环上的铸接部分应加工出沟槽或倒刺。也可用整铸法，但应保证无缩孔、裂纹等缺陷，为此，箱轴常设计成中空的，或铸造时应用内冷铁。确定砂箱的搬运、翻箱结构后，每扇砂箱有6处吊轴并在吊轴处铸入（φ40 mm）圆钢，如图6所示。

1.6 砂箱的紧固

图6 砂箱吊轴、插轴式吊耳

为防止胀箱、跑火等缺陷，上下箱间应紧固。常见的紧固方式有：手工夹紧(楔形箱卡)法、上箱自重法、压铁法、螺栓锁紧法等。手工夹紧、上箱自重法和压铁法多用于中小件，螺栓锁紧法主要用于中大型砂箱的小批量生产中。因此本砂箱设计为螺栓锁紧法。

1.7 其他要求

在砂箱上增加一些附属结构如下芯定位框定位孔，可方便研箱砂芯的定位，具体结构应从强度、现场配套吊具方面考虑。下芯定位框定位孔如图7（椭圆框所示）所示。

图7 下芯定位框定位孔及使用示意图

2 砂箱CAE仿真计算

通过不同的吊装方式计算砂箱的强度及变形情况，根据结果修正砂箱模型再计算，最终确定砂箱模型。

2.1 吊轴吊装

单独吊运下砂箱和砂型时，如图8所示标记的吊轴，前后两端共4处，砂型重9.35 t（不含砂箱自重）。

2.2 单独吊运插销式吊耳

单独吊运下砂箱和砂型时，如图9所示4处吊耳，吊耳内插入一个φ50 mm的销棒吊装，砂型重9.35 t（不含砂箱自重）。

2.3 整体吊运插销式吊耳

整体吊装砂箱和砂型时，如图10所示4处吊耳。吊耳内插入一个φ50 mm的销棒用吊装，砂型、铸件和砂箱共重97.95 t.

2.4 CAE分析结果

图8 吊轴吊装受力分析

图9 插销式吊耳吊装受力分析

图10 插销式吊耳整体吊装受力分析

对以上三种吊装方式进行受力计算分析，分别计算在1.5g加速度和1g加速度两种工况下的砂箱Mises应力及砂箱变形情况，得出结论：下砂箱单独吊装情况下在1.5g加速度工况下其Mises应力均小于材料QT500的抗拉屈服强度320 MPa；砂箱整体吊装情况下，在1g加速度工况下其Mises应力均小于材料抗拉屈服强度320 MPa.在1.5g加速度工况下其Mises应力局部区域大于320 MPa，除部分应力集中区域外均小于抗拉强度500MPa，除部分应力集中区域外最大主应力均在抗拉强度500 MPa以内。

将局部箱筋的厚度由40 mm增加至50 mm，再进行受力计算分析，原应力集中部位已满足使用要求；设计砂箱的材质、吊装结构、箱壁、箱带等均符合使用要求。

3 砂箱铸造工艺设计

3.1 工艺方案制定

经过对砂箱铸件结构进行工艺性分析及结合公司生产条件，决定采用手工碱性酚醛树脂砂造型、制芯。采用地坑造型；制芯需新制木质工装；地坑浇口箱拔塞浇注，随流孕育；压火7日后，震动落砂，手工清理。

3.2 工艺设计

以下砂箱为例，砂箱铸件采用一箱一件工艺，整体放1%的缩尺，浇注上平面加工余量为20 mm，其余未注加工余量为15 mm，外型四周为活块结构，拔模斜度为2°，浇注系统示意图如图11所示。

图11 下砂箱工艺设计示意图

3.2.1 浇注时间的确定

下砂箱毛坯重9300kg，浇注时间按下式计算[2]：

式中：t为浇注时间，s；m为毛坯重量，kg.

3.2.2 阻流截面的确定

阻流截面积应按下列公式计算[3]：

∑A阻==110.9 cm2；式中：K为经验常数，取值范围为：1.1～2.0，取值原则是小型气缸体及厚壁简单者取上限，大型气缸体及复杂薄壁者取下限。

采用封闭开放式浇注系统，各组元截面的比例为A直∶A横∶A内=1.21∶1.0∶1.19，阻流截面之前封闭，其后开放，既有利于挡渣，又使充型平稳，兼有封闭式和开放式的优点。

3.2.3 浇注系统校核

型内液面上升速度按照下列公式计算[4]：

VL==1.2 cm/s； 该浇注速度介于铸铁件要求的最大和最小上升速度，可以作为适用的浇注时间。

4 砂箱现场使用情况

铸造砂箱经过加工后投入现场使用，经验证，砂箱在造型、周转以及浇注后满载情况未发现严重变形、破裂等问题，满足生产使用要求。现场使用情况见图12.

图12 砂箱浇注和起吊

5 结论

通过砂箱设计，建立了大型铸造砂箱的设计流程，保证了砂箱设计制作一次性成功率，节约了成本，保证了产品项目的顺利进行。

1）大型铸造砂箱需求少，设计制作经验不足，砂箱各结构要素设计应严格按照设计手册以及各方经验等要求，可以充分保证砂箱的功能性需求。

2）由于大型铸造砂箱设计制作周期长，成本高。砂箱铸件的结构设计过程中，建议进行工况CAE仿真计算，充分考虑砂箱使用过程中的强度、变形等问题，避免设计制作的反复。

3）大型砂箱制作过程中，应将砂箱铸件当做关键铸件，进行砂箱铸件的工艺方案论证和充分的工艺设计，保证铸件成品率。