增压缸体铸件的铸造工艺设计与优化

（广东中天创展球铁有限公司，广东英德 513000）

1 增压缸体技术要求及生产难点

增压缸体是大型压铸机（重量在1 250 t 以上）重要的零部件之一，上、下均为长方形法兰，中间段类似圆桶型、且中心为通孔。铸件的外形尺寸为670mm×510mm×470mm，主要壁厚90mm～130mm，重量为700 kg，材质为QT500-7.铸件结构见图1，铸件机加工图见图2.

从图2 可以看出铸件机加工精度和内部质量要求较高，铸件中φ300 mm 及300 mm 深的孔加工粗糙度要求Ra0.8 μm，需要进行衍磨，且衍磨后不允许有色差、气孔、针孔、夹渣和缩松等缺陷，是生产技术的最大难点，为此利用Any Casting 软件对工艺过程进行了模拟，结合模拟结果进行了工艺优化。

2 铸造工艺方案的选择及确定

2.1 铸造工艺方案的选择

根据增压缸体铸件的结构特点，初步设计了两种铸造工艺方案，见图3.

图1 铸件结构示意图

图2 铸件机加工图

图3 铸造工艺方案图

第一种方案：妨碍起模的法兰采用两边下砂芯工艺。优点：模具耐用，不容易损坏；缺点：工装大、吃砂量大，模具制作费用大，尺寸精度差，铸件外观差，主要还是工序增多，生产效率低。

第二种方案：妨碍起模的法兰采用分段拆活工艺。优点：模具制作简单，尺寸精度高，模具与铸件毛坯结构基本一致，外观质量好，减少部分制芯、下芯工序，生产效率高，大大降低成本；缺点：造型时活块取出相对繁琐，且容易变形损坏，缩短模具寿命。综合考虑：选择第二种设计方案，并制定增压缸体铸件详细的铸造工艺。

2.2 铸造工艺方案的具体内容

2.2.1 造型型砂

因是单件需求，模具设计为一箱一件，选用呋喃树脂砂造型。

2.2.2 分型面

从铸件技术要求、重要使用面、铸件结构、下芯方便、利于排气和工装制造等方面综合考虑，分型面设在10 mm 凸台与670 mm×510 mm×100 mm板连接面（即三个凸台在下型，铸件其他部分全部在上型）;同时采用带滤网挡渣底注式浇注，如图4所示。

2.2.3 收缩率与加工余量

根据铸件的材质和结构特点，收缩率取1.0%，拔模斜度取外1∶100，内1∶35，未注圆角选取R10.加工余量：上表面+8 mm，下表面、侧面+5 mm，中孔衍磨段+8 mm，其余+5 mm.

2.2.4 浇注系统

由于增压缸体质量要求较高，采用泡沫过滤网加陶瓷管底注式、封闭式浇注系统，结合生产经验和理论计算[1]，确定内浇道截面积取28.0 cm2，并选取A内∶A横∶A直=1∶1.2∶1.36，计算出横浇道截面积33.6 cm2，直浇道截面积38.46 cm2；具体采用φ70 mm 陶瓷管直浇道，70/80 mm ×45 横浇道，3块并排150 mm×100 mm×20 mm 过滤器，4 个φ30 mm 内浇道。

2.2.5 冷铁

浇注采用底注方案，为了防止底部局部过热产生缩松等缺陷现象，在两边长方形凸台上各均匀放置4 块通用冷铁（φ90 mm/φ100 mm×120 mm），中间φ430 mm 凸台上均匀放置8 块通用冷铁；由于中孔φ300 mm 加工光洁度要求高，加上300 mm深处有一个热节位，为了使铸件趋向于均衡凝固，减少局部热节，在砂芯φ300 mm 孔设置两块成型冷铁，冷铁间隙为35 mm，冷铁厚度按梯度设置，底部厚60 mm，顶部厚40 mm.

2.2.6 砂芯及排气

中孔采用砂芯工艺，芯盒示意图见图5，下孔芯头做出定位防止旋转，芯盒采用对开式芯盒，方便制芯；圆孔位置芯盒内放置成型冷铁，冷铁位置在芯盒内刻线作为标记，放置砂芯内的冷铁为放置在厚壁处；在上型芯头中间钉φ3 排气管定位，造型时放排气管，中间砂芯打芯时中间扎φ15 排气孔，与上型芯头位置基本一致。

图4 增压缸体铸件铸造工艺简图

2.2.7 冒口

根据增压缸体铸件的结构特点，在上型顶部靠近热节处设置3 个φ80/φ100 明冒口，作补缩冒口兼型腔排气。铸件的简易铸造工艺如图5 所示。

图5 中孔芯盒示意图

3 铸造工艺模拟及优化

3.1 铸件材质和工艺模拟参数的选择

增压缸体铸件材质为QT500-7，熔炼化学成分控制（质量分数，%）为：ω（C）3.72、ω（Si）2.35、ω（Mn）0.25、ω（P）0.020、ω（S）0.010、ω（Mg）0.045、ω（Re）≤0.010，浇注温度选取1355℃，充型速度100cm/s，充型时间34 s；铸型和砂芯选取呋喃树脂砂，初始温度为常温25 ℃；收缩率取1.0%.

3.2 增压缸体浇注充型模拟分析

增压缸体铸造工艺过程浇注充型充填率模拟结果如图6 所示，从模拟结果看，充型过程平稳，无紊流等现象产生。

增压缸体模拟凝固过程状态，如图7 所示。

增压缸体铸件模拟的概率缺陷参数及概率缺陷位置如图8 所示。

3.3 模拟结果分析

1）从模拟结果看，整个充型约34 s，接触冷铁部位温度局部有所降低，因整个充型时间不长，上下液面不至形成较大的温度差，利于均衡凝固。

2） 从凝固过程看，冒口补缩在铸件凝固率12.5%时失去补缩能力，从时间上看约426 s，铸件表面特别是放冷铁的面已凝固，建立起了强度，冒口很好的完成了前阶段快速凝固收缩的液态补缩，使下阶段的石墨化膨胀能很好的进行自补缩。

3）从凝固过程看，凝固过程凝固40%时开始形成三个液相孤立区，其中两个液相孤立区较小，缺陷的形成往往在液相孤立区最后凝固区及附近，即在图8 概率缺陷位置图中白点处，形成局部缩松可能性，从缺陷的位置和大小从铸件的使用性能来考虑，概率缺陷位置2 有钻孔，有一定的隐患。根据以上分析并结合实际生产，确定概率缺陷位置2 为需要进行工艺优化改善的重要点。

图6 增压缸体铸造工艺浇注充型模拟

图7 增压缸体模拟凝固过程状态

图8 概率缺陷位置（图中白点处）

4 工艺优化

根据模拟结果缺陷产生的概率和位置，因为冷铁促使铸件厚实部分提前膨胀，从而加强铸件获得液态补缩的能力，避免在凝固后期因为补缩不足而出现缩松缩孔，具体工艺优化如下：1）在铸件孔φ85 外侧增加一块通用冷铁80 mm×80 mm×70 mm（高），并在外模刻线冷铁位置作为定位；2）在铸件孔φ85 下侧内圆φ270 处增加一块宽80 mm、高60 mm、厚40 mm 成型冷铁。优化后工艺如图9 所示，通过实际生产验证，缺陷消除，取得良好改善效果。

图9 工艺改善后工艺简图

5 结论

根据增压缸体的结构特点，选取A内∶A横∶A直=1∶1.2∶1.36 的开放式浇注系统，将凝固模拟技术应用到工艺设计当中，对设计出来的铸造工艺进行模拟，为改进浇注系统、排气系统等提供帮助，从而合理设置冒口、冷铁，配合合适的浇注温度、充型速度，可以获得形状完整、内部致密的铸件，铸件质量满足技术要求。