鑄件及鑄造工藝設(shè)計(jì)-鑄造工藝設(shè)計(jì)案例
某燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣缸工藝案例
一、產(chǎn)品簡(jiǎn)介
進(jìn)汽缸產(chǎn)品是重型燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件。進(jìn)汽缸的作用是引導(dǎo)流體進(jìn)入壓氣缸，并支撐燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)整體的氣流運(yùn)行平穩(wěn)。進(jìn)汽缸的工作環(huán)境是高速流體、機(jī)械振動(dòng)。進(jìn)汽缸產(chǎn)品按照上下兩半缸設(shè)計(jì)，產(chǎn)品材質(zhì)QT400-18，鑄件最大壁厚230mm，最小壁厚50mm，主體壁厚70mm；單重18200kg。其三維圖如圖-1所示。
圖-1燃?xì)膺M(jìn)氣缸三維圖
二、全流程虛擬制造
1.技術(shù)難點(diǎn)識(shí)別
1）鑄件尺寸公差：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8062 CT12-13級(jí)。
2）UT：鑄件100%UT檢驗(yàn)，關(guān)鍵部位Ⅱ級(jí)，其他部位Ⅲ級(jí)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為EN12680-3。
3）RT：執(zhí)行顧客規(guī)范，驗(yàn)證件100%RT，批量件UT不合部位進(jìn)行RT驗(yàn)證。
4）附鑄試塊硬度：（143～187）HBW。
5）附鑄試塊屈服強(qiáng)度Rp0.2≥275MPa。
6）附鑄試塊抗拉強(qiáng)度Rm≥415MPa。
2.方法策劃
選擇木模樹(shù)脂砂工藝方法。
3.工藝方案策劃
分型面選擇鑄件最大截面處，將鑄件分為上下兩半，方便現(xiàn)場(chǎng)操作。
4.虛擬設(shè)計(jì)
（1）澆注系統(tǒng) 在全流程虛擬制造系統(tǒng)中輸入材質(zhì)、澆注質(zhì)量、鑄件壁厚、分型方法、澆注時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出澆注系統(tǒng)靜壓頭高度、阻流截面。采用階梯澆注系統(tǒng)，第一層為封閉式，第二層為開(kāi)放式。燃?xì)膺M(jìn)氣缸澆注系統(tǒng)三維圖如圖-2所示。
圖-2燃?xì)膺M(jìn)氣缸澆注系統(tǒng)
（2）冒口設(shè)計(jì) 其材質(zhì)為QT400-18，主體壁厚70mm、最大壁厚230mm、最小壁厚50mm，壁厚偏差較大。因此，在補(bǔ)縮工藝上采取分區(qū)設(shè)置。同時(shí)為了應(yīng)對(duì)熔煉材質(zhì)的波動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)操作不到位造成的補(bǔ)縮不足的問(wèn)題，在冒口設(shè)計(jì)上，改變了一般情況下只將冒口放于法蘭頂部的方案，而在翻邊法蘭處增加冒口。
（3）材料控制
1）配比：機(jī)鐵20%～50%，低Mn廢鋼10%～20%，球生鐵30%～70%。
2）成分控制（%）：C：3.40～3.70，Si:2.30～2.50，Mn：<0.25，P：<0.035,S：0.008～0.012，Mg：0.04～0.05。
（4）澆注溫度為（1340±10）℃，采用球化工藝沖入法和多級(jí)孕育。
5.虛擬檢驗(yàn)
通過(guò)仿真凝固模擬軟件，驗(yàn)證充型和凝固過(guò)程。其仿真模擬結(jié)果如圖-3所示。
6.虛擬制造（見(jiàn)圖-4）
虛擬制造環(huán)節(jié)通過(guò)梳理現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的關(guān)鍵控制工序及關(guān)鍵控制要點(diǎn)，并將工藝設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成為現(xiàn)場(chǎng)可執(zhí)行的關(guān)鍵控制參數(shù)，形成完整的3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)及手機(jī)App檢查文件，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)。
圖-3仿真模擬結(jié)果
圖-4現(xiàn)場(chǎng)制芯過(guò)程模擬動(dòng)畫(huà)
7.執(zhí)行反饋
通過(guò)樣件生產(chǎn)、小批量工藝穩(wěn)定性驗(yàn)證生產(chǎn)、批量生產(chǎn)，目前該產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定批量供貨，鑄造廢品率5%以下。實(shí)際鑄件照片如圖-5所示。
圖-5實(shí)際鑄件照片
某蝸殼壓縮機(jī)產(chǎn)品工藝案例
一、產(chǎn)品簡(jiǎn)介
蝸殼產(chǎn)品作為高效渦輪式離心壓縮機(jī)的核心部件，整體外觀及內(nèi)腔呈“蝸旋”狀的流線型設(shè)計(jì)。蝸殼的作用是將流體吸入其內(nèi)部，并在排出的過(guò)程中將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)整體的壓力平衡。蝸殼的使用環(huán)境是高壓、高速流體。某顧客的蝸殼材質(zhì)EN-GJS-400-18；主體壁厚35mm；單重10000kg。其鑄件三維圖如圖-6所示。
圖-6 蝸殼壓縮機(jī)鑄件三維圖
二、全流程虛擬制造
1.產(chǎn)品要求
1）鑄件尺寸公差：CT10-11級(jí),執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ISO 8062。
2）鑄件100%UT檢驗(yàn)，關(guān)鍵部位Ⅱ級(jí)，其他部位Ⅲ級(jí)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN12680。
3）壓力試驗(yàn)：執(zhí)行顧客規(guī)范，鑄件粗加工后，進(jìn)行水壓試驗(yàn)：壓力在1.5bar下保壓30min無(wú)滲漏為合格。
4）附鑄試塊硬度：（150～220）HBW。
5）附鑄試塊屈服強(qiáng)度Rp0.2≥350MPa。
6）附鑄試塊抗拉強(qiáng)度Rm≥400MPa。
2.鑄造方法策劃
選擇木模樹(shù)脂砂工藝方法。
3.工藝方案策劃
分型方法：分型面選擇鑄件最大截面處，將鑄件分為上下兩半，方便現(xiàn)場(chǎng)操作。
4.虛擬設(shè)計(jì)
（1）澆注系統(tǒng) 在全流程虛擬制造系統(tǒng)中輸入材質(zhì)、澆注質(zhì)量、鑄件壁厚、分型方法、澆注時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出澆注系統(tǒng)靜壓頭高度、阻流截面。采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件底部并均勻分布、多點(diǎn)進(jìn)流，可使得充型均勻。蝸殼壓縮機(jī)澆鑄系統(tǒng)三維圖如圖-7所示。
圖-7蝸殼壓縮機(jī)澆注系統(tǒng)三維圖
（2）冒口設(shè)計(jì) 管口法蘭和密封法蘭等加工面相對(duì)較厚，且加工后不得有縮松及外漏缺陷，因此在工藝上補(bǔ)縮設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮加工面，即管口法蘭和密封法蘭。冒口放置于法蘭側(cè)邊薄壁上，并在冒口下增加工藝凸臺(tái)，所述工藝凸臺(tái)既能起到補(bǔ)縮法蘭的作用，也能避免實(shí)際生產(chǎn)中冒口根部縮松。
（3）材料控制
1）配比：機(jī)鐵20%～50%，廢鋼10%～20%，生鐵30%～70%。
2）主要化學(xué)成分（%）：C：3.40～3.60，Si：2.40～2.60，Mn:<0.25，S：0.006～0.012。
（4)澆注溫度為（1350±10）℃，采用球化工藝沖入法和多級(jí)孕育。
5.虛擬檢驗(yàn)
通過(guò)MAGMA凝固模擬，澆注系統(tǒng)進(jìn)流平穩(wěn)，鐵液無(wú)飛濺，效果較好。冒口對(duì)鑄件進(jìn)行有效補(bǔ)縮，未發(fā)現(xiàn)明顯超級(jí)缺陷。其仿真模擬結(jié)果如圖-8所示。
圖-8 仿真模擬結(jié)果
6.虛擬制造（見(jiàn)圖-9）
虛擬制造環(huán)節(jié)通過(guò)梳理現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的關(guān)鍵控制工序及關(guān)鍵控制要點(diǎn)，并將工藝設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成為現(xiàn)場(chǎng)可執(zhí)行的關(guān)鍵控制參數(shù)，形成完整的3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)及手機(jī)App檢查文件，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)。
圖-9 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模擬
7.執(zhí)行反饋
通過(guò)樣件生產(chǎn)及工藝優(yōu)化，目前該產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定交付。實(shí)際鑄件照片如圖-10所示。
圖-10 實(shí)際鑄件照片
某中速柴油機(jī)氣缸蓋鑄件生產(chǎn)工藝案例
一、產(chǎn)品簡(jiǎn)介
本產(chǎn)品是為某公司生產(chǎn)的清潔高效中速柴油機(jī)氣缸蓋鑄件。此型號(hào)柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速（300～1000）r/min，功率1500～9000kW，主要用于內(nèi)燃機(jī)車、內(nèi)河工程船舶、拖網(wǎng)漁船、軍用艦艇。其工作環(huán)境惡劣，是目前鑄造難度最大的產(chǎn)品之一。該產(chǎn)品材質(zhì)為RuT300，輪廓尺寸615mm×414mm×287mm，最大壁厚42mm，最小壁厚10mm，控制壁厚10mm；單重210kg。其鑄件三維圖如圖-11所示。
圖-11鑄件三維圖
二、全流程虛擬制造（見(jiàn)圖-12）
圖-12鑄造工藝
1.參數(shù)對(duì)比
作為船用發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，此氣缸蓋鑄件有著其特殊的鑄造要求：
1）鑄件尺寸公差：ISO 8062 CT11級(jí)，壁厚公差為±1mm。
2）試塊性能要求Rm≥300Mp，Rp0.2≥240Mp，A≥2%，蠕化率≥50%，本體硬度（140～217）HBW。
3）加工面不允許存在任何夾雜類缺陷。
4）氣缸蓋水腔用壓力0.7MPa進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，不得有任何氣泡。在氣缸蓋燃燒室面用壓力17.6520MPa（180kgf/cm2)，在5min內(nèi)壓力降不超過(guò)0.49MPa（5kgf/cm2)，不應(yīng)有泄漏。
2.鑄造方法策劃
通過(guò)質(zhì)量、成本、效率、可操作性進(jìn)行綜合評(píng)定確定工藝方法（模具、3D打印、消失模等）。
1）質(zhì)量：鑒于此產(chǎn)品質(zhì)量要求高，優(yōu)先選用金屬?；?D打印進(jìn)行生產(chǎn)。
2）成本：使用木?；?D打印進(jìn)行生產(chǎn)。
3）效率：使用3D打印進(jìn)行生產(chǎn)，省去模具制作時(shí)間，并且生產(chǎn)方式簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率最高。
4）可操作性：3D打印可大幅減少砂芯數(shù)量，操作簡(jiǎn)單。
權(quán)衡以上四要素，選用3D打印生產(chǎn)方法可更好的簡(jiǎn)化操作、生產(chǎn)效率高、成本低、質(zhì)量更優(yōu)。
3.工藝方案策劃
本項(xiàng)目借助3D打印成形工藝大幅度的減少薄壁復(fù)雜件的砂芯數(shù)量（砂芯數(shù)量由傳統(tǒng)模具的 34塊變成了4塊）。將關(guān)鍵砂芯整做，可大幅度提高鑄件尺寸精度，壁厚公差易于達(dá)到規(guī)范要求。并且整做砂芯可以減少砂芯晃動(dòng)導(dǎo)致嗆火發(fā)生的概率。充型過(guò)程中底注最平穩(wěn)，頂注次之，側(cè)注方案最差，因下水腔6×φ32孔易斷，頂注可以有效降低鐵水充型過(guò)程中浮力對(duì)砂芯影響，另底部薄、上部厚，頂注的工藝?yán)谘a(bǔ)縮，因此采用頂注方案。
4.虛擬設(shè)計(jì)
（1）鑄件結(jié)構(gòu) 下水腔、后水腔、上水腔φ32孔只給+1mm的加工余量，盡可能加粗砂芯。
（2）澆注系統(tǒng) 在全流程虛擬制造系統(tǒng)計(jì)算表格中輸入材質(zhì)、澆注重量、鑄件輪廓尺寸、鑄件主體壁厚、分型方法、澆注時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算出澆注系統(tǒng)靜壓頭高度（40cm）、阻流截面（12.6cm2）。并確定采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，根據(jù)澆注系統(tǒng)比例，相應(yīng)計(jì)算出橫澆道和內(nèi)澆道截面積。采用6道內(nèi)澆道，分散雨淋式進(jìn)流，充型平穩(wěn)、溫度場(chǎng)分布均勻。
（3）冒口設(shè)計(jì) 頂部厚大部位使用一個(gè)12/15發(fā)熱冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，確保加工打孔后縮松不外漏，燃燒室面使用40mm×40mm×30mm的鑄鐵冷鐵一塊。
（4）熔煉工藝控制
1）配比：生鐵50%，灰機(jī)鐵15%，球機(jī)鐵25%，廢鋼10%。
2）蠕化后成分控制（%）：C：3.3～3.8，Si:1.5～3.0，Mn：<0.9，S：<0.03：Mg：0.01～0.03，Ce：0.01～0.03。
（5）出鐵溫度為1450℃，澆注溫度（1380±20）℃，蠕化工藝選用蓋包法。
5.虛擬檢驗(yàn)
通過(guò)MAGMA充型+凝固模擬，澆注系統(tǒng)進(jìn)流平穩(wěn)，鐵水無(wú)飛濺，效果較好。冒口對(duì)鑄件進(jìn)行有效補(bǔ)縮，未發(fā)現(xiàn)超出規(guī)范要求的缺陷。
6.虛擬制造
虛擬制造主要為了指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，詳細(xì)梳理工藝過(guò)程，將關(guān)鍵控制點(diǎn)采用文字、照片甚至動(dòng)畫(huà)形式上傳至系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)查看APP進(jìn)行生產(chǎn)。組芯過(guò)程模擬如圖-13所示。
7.執(zhí)行反饋
執(zhí)行反饋主要為了控制現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)將重點(diǎn)控制過(guò)程執(zhí)行情況在全虛擬流程APP上進(jìn)行反饋，如此可以有效進(jìn)行過(guò)程控制，確保工藝執(zhí)行率,圖-14所示為組芯及鑄件實(shí)物圖。
圖-13 組芯過(guò)程模擬
圖-14組芯及鑄件實(shí)物圖
某機(jī)床床身鑄件工藝案例
一、產(chǎn)品簡(jiǎn)介
此鑄件為某顧客生產(chǎn)的機(jī)床床身，材質(zhì)為FC300，最大壁厚102mm，最小壁厚20mm；單重2000kg,尺寸為2500×1800×900（mm）。其鑄件三維圖如圖-15所示。
圖-15鑄件三維圖
二、全流程虛擬制造
1.技術(shù)難點(diǎn)識(shí)別
作為機(jī)床產(chǎn)品的核心零部件，此床身鑄件有著其特殊的鑄造要求。
1）化學(xué)成分符合下表要求。
2）鑄造后淬火部位布氏硬度為（183～241）HBW。
3）淬火面石墨形狀符合ISO 945 A型石墨，精加工面的粗大石墨的剝離面和含有片狀石墨金屬組織的剝離面積均應(yīng)小于0.1mm2。
4）在（550～590）℃去應(yīng)力退火。
5）尺寸公差：規(guī)范ISO 8062的鑄造公差等級(jí)為CT11級(jí)，該產(chǎn)品尺寸公差最大為±6mm，壁厚公差最大為±3mm，主體壁厚公差為±2mm。
6）鑄件焊補(bǔ)必須得到顧客同意，大柜面、安裝面不允許焊補(bǔ)。
2.鑄造方法策劃
機(jī)床床身鑄件產(chǎn)品形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高、生產(chǎn)批量大，應(yīng)綜合質(zhì)量、成本、效率、可操作性等因素考慮，從木模、真空負(fù)壓消失模、實(shí)型消失模、金屬模、3D打印、射芯、離心澆注等工藝方法中選擇木模模板工藝方法來(lái)進(jìn)行制造生產(chǎn)。
3.鑄造工藝方案策劃
分型面選擇鑄件地腳頂面處，從地腳面分開(kāi)，方便現(xiàn)場(chǎng)操作。床身導(dǎo)軌屬于關(guān)鍵區(qū)域，放于下箱保證質(zhì)量；地腳面向上，放置出氣及冒口。鑄件分型方案示意圖如圖-16所示。
圖-16 鑄件分型方案示意圖
4.虛擬設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖-17）
（1）澆注系統(tǒng) 在全流程虛擬制造系統(tǒng)中輸入材質(zhì)、澆注質(zhì)量、鑄件壁厚、分型方法、澆注時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出澆注系統(tǒng)靜壓頭高度、阻流截面。并確定采用先封閉后開(kāi)放比例的澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)設(shè)置7道內(nèi)澆口，均勻分散在鑄件底部，充型后鑄件溫度場(chǎng)分布均勻。
圖-17 澆冒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與型芯設(shè)計(jì)方案
（2）冒口設(shè)計(jì) 在鑄件頂部設(shè)置出氣冒口17處，出氣截面尺寸為阻流截面的1.5倍。
（3）材料控制
1）配比：生鐵5%，機(jī)鐵35%，廢鋼60%。
2）成分控制（%）：C：3.10±0.1，Si:1.6±0.1，Mn：0.70±0.05，P：≤0.04,S：0.08～0.12。
（4）出鐵溫度為（1400～1430）℃，澆注溫度為（1390±10）℃，澆注時(shí)間為40s。
5.虛擬檢驗(yàn)（見(jiàn)圖-18）
通過(guò)仿真模擬軟件進(jìn)行充型凝固模擬，澆注系統(tǒng)進(jìn)流平穩(wěn)，鐵水無(wú)飛濺，溫度場(chǎng)均勻。
圖-18 模擬結(jié)果圖
6.虛擬制造（見(jiàn)圖-19）
虛擬制造環(huán)節(jié)通過(guò)梳理現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的關(guān)鍵控制工序及關(guān)鍵控制要點(diǎn)，并將工藝設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成為現(xiàn)場(chǎng)可執(zhí)行的關(guān)鍵控制參數(shù)，形成完整的3D動(dòng)畫(huà)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)及手機(jī)App檢查文件，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)。
7.執(zhí)行反饋（見(jiàn)圖20）
通過(guò)樣件生產(chǎn)、小批量工藝穩(wěn)定性驗(yàn)證生產(chǎn)、批量生產(chǎn)，目前該產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定批量供貨，鑄造廢品率5%以下。
圖-19現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模擬
圖-20 實(shí)際鑄件圖
摘自現(xiàn)代鑄鐵技術(shù)