提升箱體鑄造工藝設計及鑄造過程數值模擬

劉致遠，張亮亮

（蘭州城市學院 培黎機械工程學院，甘肅蘭州 730070）

1 零件結構分析

提升箱體主要用于石油鉆采設備中，材質為ZG25CrNiMo，外形尺寸1040 mm×776 mm×933 mm，凈重1058 kg，屬于易損件。提升箱體三維圖如圖1 所示，主要形狀特征為回轉體，大部分箱壁厚度為45 mm，局部最厚處165 mm（不包括外壁凸臺），最薄處30 mm。該零件結構壁厚不均勻，局部位置存在較大熱節，在鋼液凝固時勢必產生縮孔疏松缺陷。因此設計鑄造工藝時，在這些厚大熱節部位必須設置冒口進行補縮。

圖1 提升箱體三維圖

2 工藝方案制定

2.1 方案一：水平造型、立澆工藝

此方案將模型分為上下兩半，如圖2 所示，模型制作相對簡單，也便于造型和下芯操作。水平造型、下芯后，將鑄型豎立起來進行澆注。如前分析，該件結構薄厚不均，厚大部位存在較大熱節，必須通過設置冒口進行補縮。為保證鑄件組織致密，冒口必須放置在鑄件左端或右端，進行補縮，在相應的另一端進行澆注，如圖3 所示。

圖2 提升箱體水平分型

圖3 水平造型、立澆工藝示意圖

采用這種方案造型時，不管冒口和澆道設置在哪一端，冒口的擺放都特別困難，也很難實現精確定位，不便于工人操作，因此不宜采用。

2.2 方案二：立坐立澆

立坐立澆有兩種方案，如圖4 所示，即大面朝上（圖左）和大面朝下（圖右）。從金屬凝固原理可知，鑄件從最容易散熱的薄壁處開始凝固，厚大熱節處最后凝固。

圖4 立坐立澆工藝（圖左：大面朝上；圖右：大面朝下）

2.2.1 方案二A：立坐立澆——大面朝上

這種方案需要“上、中、下”三開箱造型，如圖5 所示。為保證冒口對鑄件整體進行有效補縮，尤其是厚大熱節部位，初步確定冒口尺寸規格為?300 mm×500 mm，數量為4 個，均勻分布于上端面，如圖5 所示。選用華中科技大學研發的HZCAE11.0 軟件進行鑄造過程數值模擬，通過鋼液瞬間充型、不考慮流動的純溫場進行凝固模擬，結果如圖6 所示。

圖5 立坐立澆、大面朝上分型圖

圖6 立坐立澆、大面朝上的純溫場模擬結果

通過上圖模擬結果發現，當鋼液凝固到572 s時，提升箱體鑄件的中下部存在兩處明顯的孤立區，冒口對此兩處起不到顯著的補縮作用。當凝固到3552.41 s 時，提升箱體的上半部分已完全凝固，冒口中的鋼液仍較充裕，但在下部熱節處形成了顯著的集中縮孔，這樣勢必影響提升箱體的疲勞強度和使用壽命。因此，這種方案不宜采用。

2.2.2 方案二B：立坐立澆——大面朝下

這種工藝方案厚大熱節的部位放置在最上面（如圖7 所示），這樣鑄件下部薄壁部位最先凝固，上部熱節可通過冒口實現補縮，實現了順序凝固，最終得到致密的組織。

圖7 立坐立澆、大面朝下分型圖

通過上述對比分析，最終確定大面朝下、小面朝上的立坐立澆工藝方案。

3 模型及砂芯設計

3.1 外模

外模如圖8，對應的砂型分“上、中、下”三部分，上部為冒口箱，中箱為模型主體，下箱為芯子定位和澆道入口。模型從中間斷開，分別向上、向下從中箱中取出。

圖8 模型外模

外模有三處需要單獨處理。一處是模型頂部端面和凸臺上表面之間需要做一個活動墊板，如圖9 所示。造中箱時，墊板和外模合在一起。造上箱時，將墊板去掉，型造好后此處的型砂連在上箱上。

圖9 鑄件上端面與凸臺上表面之間的活動墊板

“260 mm×210 mm”凸臺模型做活塊，如圖10 所示。主體模型向下取出后，活塊從型腔中向里取出。

圖10 “260 mm×210 mm”凸臺模型做活塊

另兩處是帶方法蘭的凸起部分。外模向下取模時此兩處必須做成“燕尾槽”活塊，并且“燕尾”朝上，斜度5°，活塊最薄處厚度取20 mm，如圖11 所示。外模取出后，這兩個活塊沿徑向朝里取出，并保留方孔內型砂。此處方孔型砂與主體1#芯子方孔型砂對齊，形成凸臺方孔完整形狀。

圖11 外模上兩處凸臺方法蘭燕尾槽活塊

3.2 砂芯

3.2.1 主體芯子

主體芯子如圖12 所示，芯頭高80 mm，斜度5°。由于芯子外側有凸臺位置要求，因此此芯頭有一個臺階定位，玄高40 mm，厚40 mm。凸臺內孔在芯子上做出，下芯后與砂型外壁相接。尤其注意凸臺方法蘭芯頭與活塊形成的砂型要對齊。

圖12 主體芯子

3.2.2 提環軸孔芯子

提環軸孔芯子如圖13 所示。此芯子一件兩個，只做一個芯盒。芯頭高40 mm，斜度5°。

圖13 提環軸孔芯子

3.2.3 吊耳芯子

吊耳芯子如圖14 所示。此芯子一件兩個，只做一個芯盒，砂芯各側壁最薄處厚度30 mm。外模在此芯與箱體錐面交界處斷開，如圖8 所示，便于起模。

圖14 吊耳芯子

4 冒口設計

冒口位置是否正確直接影響冒口的補縮效率和鑄件質量，應按鑄件結構的特點劃分出幾個需要補縮的部分，再確定每個部位冒口的尺寸和數量。冒口要設置在鑄件最高或最后凝固的部分，必要時應采取變更內澆口位置、加補貼、使用冷鐵或特種砂等激冷措施，形成向冒口的順序凝固。

確定冒口尺寸的方法有模數法、三次方程法、補縮液量法、比例法、形狀因素法、熱節圓法及縮管法等。該件結構比較復雜，很難用一種方法進行冒口尺寸的確定。本方案采用模數法和計算凝固模擬相結合的方法進行確定。

在鑄件頂部設置1 個腰形明冒口“240 mm×360 mm×400 mm”，2 個圓柱形明冒口“?240 mm×400 mm”，進行“充型+凝固”的耦合模擬，結果如圖15 所示。

圖15 “充型+凝固”耦合模擬結果

由模擬結果可見，最終的縮孔形成于鑄件上部、冒口根部，但在鑄件中部兩壁交接處、底部提環軸孔與內側壁的交接處仍存在疏松，但已不能通過增大冒口尺寸進行消除。造型生產時在提環軸孔與內壁交界處設置外冷鐵，型砂采用蓄熱系數比硅砂大的特種砂，通過激冷作用控制鑄件的順序凝固、增加冒口的補縮距離，在鑄件表面形成一層致密的組織。最終設計的鑄件、澆注系統、冒口及外冷鐵如圖16 所示。

圖16 鑄件、澆注系統、冒口及外冷鐵

該工藝條件下的工藝出品率為：鑄件重量/（鑄件重量+冒口重量+澆注系統重量）×100%=1186.4/1720×100%≈69%

5 結論

（1）選擇“提環軸孔所在大面朝下、吊耳及厚大側壁小端面朝上”的立作立澆工藝方案。上、中、下三開箱造型，分別設置冒口、模型主體、芯頭及澆道。木制模型，其中外模1 件（中間部分斷開）、芯盒3 件、活塊墊板1 塊、活塊1 處、燕尾槽活塊2 處。

（2）冒口采用模數法設計，配合HZCAE11.0軟件分別進行純溫場和充型傳熱耦合條件下的凝固模擬，確定出1 個腰形明冒口和2 個圓柱形明冒口在厚壁端面進行補縮。兩種冒口的規格尺寸分別為“240 mm×360 mm×400 mm”和“?240 mm×400 mm”。經多次模擬結果顯示，厚大熱節部位的縮孔基本消除，鑄件中部兩壁交接處、底部提環軸孔與內側壁的交接處仍存在疏松，但已不能通過冒口補縮進行消除。為消除上述缺陷，在底部設置了外冷鐵，以實現更好的順序凝固和補縮。