摘 要：框架類鑄件易變形，尺寸控制難度較大。以一款六缸柴油機曲軸箱為例，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝布置、溫度場分布和澆注系統(tǒng)設(shè)計等方面，介紹扁長框架結(jié)構(gòu)鑄鐵件彎曲變形的潛在影響因素和預(yù)防措施。結(jié)合CAE 仿真和三維光學(xué)掃描技術(shù)，對形變進行量化分析，為相似產(chǎn)品工藝設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；彎曲變形；CAE 仿真；三維光學(xué)掃描
引言
框架類鑄件在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生變形，通常呈現(xiàn)為整體彎曲變形和局部收縮變形兩種模式。其中彎曲變形主要是因為鑄件在冷卻凝固過程中受力不均，殘余應(yīng)力超過屈服強度產(chǎn)生的塑性變形[1]。以一款在潮模砂造型線生產(chǎn)的六缸發(fā)動機曲軸箱為例，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝布置、凝固溫度場分布和澆注系統(tǒng)設(shè)計4 個方面對比分析扁長的框架結(jié)構(gòu)鑄件生產(chǎn)變形的潛在原因和預(yù)防措施。
1、 框架鑄件變形問題描述
開發(fā)一款6 缸發(fā)動機曲軸箱，鑄件材質(zhì)為HT250，為提升工藝出品率，根據(jù)產(chǎn)品尺寸和造型線砂箱尺寸，采用一箱3 件的工藝布置方案。其中3 件鑄件在型腔內(nèi)的狀態(tài)不完全一致，依次為1#、2#和3#，其中2#和1#中心對稱布置，3#與2#同向布置，如圖1 所示。
圖1 一箱3 件工藝布置示意圖
初始工藝將內(nèi)澆道布置在下平面瓦口對面位置，生產(chǎn)一批次鑄件，對同一箱澆注的3 件鑄件進行掃描檢測，結(jié)果顯示3 件鑄件均產(chǎn)生不同程度的彎曲變形，其中2#輕微變形但滿足鑄造公差要求；1#和3#變形量大，超出鑄造公差要求，且超差數(shù)據(jù)有規(guī)律分布。為排除組芯合模造成的錯型干擾，在上模、主體芯組、下模成型的鑄件區(qū)域分別取點檢測，并統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對比分析，瓦口側(cè)檢測數(shù)據(jù)如圖2 所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表1。
表1 瓦口側(cè)掃描數(shù)據(jù)對比分析表
圖2 瓦口側(cè)掃描檢測圖
下平面?zhèn)葯z測數(shù)據(jù)如圖3 所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表2。
表2 下平面?zhèn)葤呙钄?shù)據(jù)對比分析表
圖3 下平面?zhèn)葤呙鑼Ρ冉Y(jié)果
綜合分析以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：由上模、砂芯、下模成型的鑄件尺寸超差趨勢一致，瓦口側(cè)兩端近似持平、中間向外凸出，平面?zhèn)戎虚g近似持平、兩端向外翹起，鑄件整體呈現(xiàn)出彎曲變形。實際測量兩端與中間的最大差值達到2.0 mm。
2、 潛在變形原因分析
2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造成的內(nèi)應(yīng)力
該框架鑄件材質(zhì)為HT250，長度近1000 mm、寬度約350 mm、厚度僅100 mm，均布6 處鏤空大缸，連接板最大寬度48 mm，R30 mm 圓角過渡，為典型的扁長框架結(jié)構(gòu)，瓦口側(cè)結(jié)構(gòu)相對孤立，下平面相互連接，如圖4 所示。
圖4 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖
為研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自身對彎曲變形的影響，對單一鑄件進行了凝固模擬和應(yīng)力分析。結(jié)果顯示，鑄件自身出現(xiàn)瓦口側(cè)中間高，兩端低的彎曲變形趨勢，如圖5 所示。主要是因為單一鑄件在凝固收縮時，中間鏤空部位由砂芯填充，相對孤立的瓦口收縮受阻，相互連接的下平面凝固過程中線性收縮，在下平面形成拉應(yīng)力促使鑄件產(chǎn)生彎曲變形。
圖5 單一鑄件凝固模擬示意圖
2.2 工藝布局溫度場分析
不考慮澆注系統(tǒng)，僅對3 件鑄件進行凝固分析，溫度場分布如圖6 所示，其中1#和3#鑄件一側(cè)為2#鑄件形成的熱環(huán)境，另一側(cè)為砂芯砂型形成的冷環(huán)境，不平衡的溫度場影響鑄件單一的凝固順序。鑄件冷卻較快的一側(cè)受壓應(yīng)力產(chǎn)生內(nèi)凹變形，冷卻較慢的一側(cè)受拉應(yīng)力產(chǎn)生外凸變形[2]。而處于中間的2#同時受到兩側(cè)鑄件產(chǎn)生的溫度場的影響，凝固環(huán)境相對平衡，基本保持單一的凝固順序。
圖6 一箱三件凝固溫度場示意圖
2.3 澆注系統(tǒng)布置分析
對于采用一箱多件、立置澆注的工藝布置方案。橫澆道和內(nèi)澆道位置的設(shè)定，有兩種方案可選擇：一是內(nèi)澆道布置在瓦口主軸承位置，二是內(nèi)澆道布置在下平面。
分別對內(nèi)澆道設(shè)計在瓦口側(cè)和平面?zhèn)鹊膬煞N方案，進行凝固應(yīng)力模擬分析，對比兩種內(nèi)澆口布置方案的變形趨勢。結(jié)果顯示，內(nèi)澆口在瓦口側(cè)的3 件鑄件均未產(chǎn)生明顯的變形。而內(nèi)澆口在下平面的3 件鑄件1#和3#出現(xiàn)明顯的變形，變形趨勢均為外凸，2#未產(chǎn)生明顯變形，仿真計算結(jié)果與實物尺寸檢測結(jié)果趨勢一致，如圖7 所示。
圖7 澆注系統(tǒng)與鑄件變形趨勢示意圖
原因分析：在凝固中后期，薄壁鑄件和內(nèi)澆道優(yōu)先凝固，粗壯的橫澆道開始凝固，線性收縮產(chǎn)生通過內(nèi)澆道對鑄件施加向內(nèi)的拉應(yīng)力，使得鑄件呈現(xiàn)出如圖8 所示的歪曲變形。
圖8 澆注系統(tǒng)對鑄件變形作用示意圖
綜合上述三方面潛在變形原因和影響趨勢，可得出如下的對應(yīng)關(guān)系。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)存在固有的潛在變形趨勢，溫度場對不同位置鑄件的形變影響為兩側(cè)促進、中間抑制，澆注系統(tǒng)在平面?zhèn)却龠M變形、在瓦口側(cè)抑制變形，詳見表3。
表3 鑄件變形影響因素矩陣表
注：與變形正影響用“+”表示，與變形負影響用“-”表示，無影響用“/”表示；
當(dāng)產(chǎn)品三種影響因素都為正關(guān)系時，鑄件變形趨勢相互疊加，加劇鑄件彎曲變形。當(dāng)三種影響因素為正負關(guān)系時，鑄件變形趨勢相互抵消，抑制鑄件彎曲變形。
3、 生產(chǎn)驗證與尺寸檢測
通過理論分析和仿真計算，發(fā)現(xiàn)在相同的工藝布局下，內(nèi)澆道布置位置是鑄件彎曲變形的主要影響因素，據(jù)此進行工藝改進，將內(nèi)澆道布置在瓦口主軸承位置，生產(chǎn)一批次鑄件，對同一箱澆注的3 件鑄件進行外觀掃描檢測，結(jié)果顯示尺寸全部合格，偏差在±0.5 mm 以內(nèi)，鑄件中間與兩端沒有明顯的彎曲變形，掃描對比結(jié)果如圖9 所示。
圖9 內(nèi)澆口布置在瓦口主軸承的鑄件掃描對比結(jié)果
4、 結(jié)論
通過理論分析、CAE 仿真并結(jié)合實際生產(chǎn)驗證和測量分析，得出如下結(jié)論：
（1）扁長的框架結(jié)構(gòu)鑄件在凝固時易產(chǎn)生使鑄件彎曲變形的內(nèi)應(yīng)力。
（2）不平衡的溫度場加劇鑄件變形，相對平衡的溫度場能減緩鑄件變形，工藝設(shè)計時應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)選擇合理的工藝布局。
（3）澆注系統(tǒng)在冷卻凝固收縮過程中也會產(chǎn)生使鑄件彎曲的拉應(yīng)力。內(nèi)澆道布置在瓦口側(cè)會抵消鑄件自身變形，尺寸精度高；內(nèi)澆道布置在平面?zhèn)葧觿¤T件自身變形，造成尺寸超差。
（4）框架類鑄件工藝開發(fā)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝布局等對鑄件尺寸的影響，合理設(shè)計澆注系統(tǒng)，提高鑄件尺寸精度。也可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝布局設(shè)計反變形，必要時增加工藝輔助結(jié)構(gòu)，抑制變形[3]。
參考文獻：
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[3] 周照峰.一種框架形鑄件的鑄造工藝設(shè)計[J].現(xiàn)代鑄鐵,2017（04）:40-41.
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