一种薄壁铸件的生产工艺.pdf
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1、圆园24/2现代铸铁收稿日期:2023-11-14修订日期:2024-03-26作者简介:田辉(1985.4),河北保定人,毕业于江苏大学材料加工工程专业,主要从事铸铁和铸钢工艺研究工作。一种薄壁铸件的生产工艺田辉,莫俊超,王今胜,王凯,赵文俊(常州中车汽车零部件有限公司,江苏常州213000)摘要:介绍了薄壁控制臂铸件的结构及技术要求,详细阐述了该铸件的原铸造工艺及存在的铸件冷隔及砂芯断裂等问题。结合 MAGMA 数值模拟软件对控制臂的铸造工艺进行模拟分析,确定了最终的铸造工艺。通过控制浇注温度、浇注时间,改进浇注系统等工艺改进措施,消除了铸件的冷隔缺陷。通过提高树脂含量,增加烘干工序等,提
2、高了冷芯强度,消除了砂芯断裂问题。采用废钢增碳工艺,调整硅含量,提高了铸件的低温冲击性能。关键词:球墨铸铁;薄壁铸件;冷隔;低温冲击性能中图分类号:TG255文献标志码:粤文章编号:员园园猿原愿猿源缘(圆园24)园2原园园11原06Production Technology of a Thin Wall CastingTIAN Hui,MO Jun-chao,WANG Jin-sheng,WANG Kai,ZHAO Wen-jun(Changzhou CRRC Auto Parts Co.,Ltd.,Changzhou213000,China)Abstract:A introduction w
3、as made to structure and technical requirements of a thin wall control arm,a detail description wasmade to the original casting production technology and the casting defects including cold shut and sand core breaking.Combined with using MAGMA numeral simulation software to simulate the casting techn
4、ology of the control arm,the finalcasting technology was determined.Through technology improving measures including controlling pouring temperature,pouringtime,improving gating system.The cold shut defect of the casting was eliminated.By increasing resin content,adding dryingprocess,to elevate the s
5、trength of cold box sand core,the sand core fracturing problem was eliminated.By using steel straprecaburizing process,adjusting Si content,the low temperature impact property was increased.Key words:nodular iron;thin wall casting;cold shut;low temperature impact property控制臂作为汽车底盘悬架的重要组成部分,具有导向、承载等重
6、要功能。整车对控制臂在刚度、强度、疲劳、NVH 方面均有非常严格的要求1原2。控制臂形状复杂,尺寸要求精度高,内部呈空腔,是典型的薄壁铸件,铸件外形尺寸 450 mm伊200mm伊300 mm,单重约 11 kg,主要壁厚约 10 mm,最小壁厚 4.5 mm,如图 1 所示,具有很大的成型难度。由于在充型过程中薄壁部位铁液温度降低较快,很容易在薄壁的位置形成铸造冷隔缺陷,因此,对浇注温度和浇注速度有严格要求。由于此零件可能会应用在温度较低的区域,所以对低温冲击韧性也提出了严格要求,铸件整体在-40益下要承受逸1 400 J 的冲击功。考虑到经济性,铸件的砂芯采用三乙胺冷芯盒法来生产。砂芯是靠
7、 3 个芯头来定位的,如图 2 所示。图 1控制臂三维模型Fig.13D model of control armNodular Iron11现代铸铁 圆园24/21工艺分析1.1工艺要求分析控制臂铸件的材料牌号为 QT400-15,其金相组织和力学性能要求如表 1 所示。由表 1 可见,铸件对球化率和基体组织要求较高,但球化效果和铁素体体积分数的要求也是能够使铸件达到低温冲击、强度、韧性的必要条件。结合铸件自身结构特点和铸造生产线的特点,控制臂铸件安排在 KW 线上进行调试生产。1.2原铸造工艺设计考虑到铸件尺寸和 KW 线的型板尺寸,采用一型 4 件造型。为保证浇注系统的避渣效果和铁液的充
8、型过程平稳,采用半开放式浇注系统。各组元的截面积比为 撞F直:撞F横:撞F内=1:0.87:3.58,直浇道直径为 45 mm。根据铸件本体结构和其热节分布,单个铸件设计 2 个55 mm 的热冒口和一个30 mm 的冷冒口,如图 3 所示。铸件属于薄壁铸件,开始浇注温度控制在 1 440 益左右,充型速度约 69 kg/s。1.3数值模拟分析1.3.1充型过程模拟分析此工艺方案为一型 4 件,结构具有对称性,为了节省计算时间,故采用模型的 1/2 进行模拟分析,如图 4 所示,在充型过程中铁液整体流动平稳,型腔内充型速度均小于 0.5 m/s,无明显紊流现象。但是由于铸件的肩部壁厚较薄,仅为
9、 4.5mm,所以铁液在铸件的肩部冷却较快,在此部位出现冷隔的倾向较大。1.3.2凝固过程模拟分析控制臂铸件热节分布相对分散,从凝固过程图 圆砂芯三维模型Fig.圆3D model of sand core项目要求值球化等级/级6球化率/%90铁素体体积分数/%90抗拉强度/MPa400屈服强度/MPa270伸长率/%15-40 冲击功/J1 400表 1铸件的金相组织和力学性能要求Tab.1Metallurgical structure and mechanical properties requirements of casting图 3浇注系统工艺方案Fig.3Technology sc
10、heme of gating system图 4充型过程模拟结果Fig.4Simulating result of mold filling process(a)开始充型(b)充型 75%(c)充型 100%球墨铸铁Nodular Iron12圆园24/2现代铸铁炉前目标C3.803.903.603.80Si1.601.702.602.80Mn0.10.30.10.3P0.050.05S0.020.02Mg-0.0250.050Cu0.200.20Cr0.050.05表 2原化学成分Tab.2Former chemical compositionswB/%wB/%分析来看,铸件能够实现顺序凝固
11、(如图 5 所示),冒口对铸件能够实现有效补缩,保证了铸件内部无缩孔缺陷产生。2试验验证2.1工艺生产调试按照上述工艺在 KW 生产线上进行试验验证,浇注机为瑞士 FOX25 浇注机。浇注过程参数如表 2 所示。第一次试制浇注 5 箱,开始浇注温度为 1 436 益,单型浇注时间为 1719 s。在浇注过程中浇注时间较模拟的时间相比略长,导致部分在铸件肩部产生了冷隔缺陷,还有一部分零件在铸件肩部产生了铸痕,分析表明冷铁液和温度较高的铁液在肩部汇聚,所以形成冷隔或铸痕。冷隔部位和模拟中最容易出现冷隔的位置完全吻合,如图 6 所示。调试过程中还发现芯头断裂的现象,如图 7 所示。芯头断裂会直接导致
12、砂芯本体上浮,导致铸件报废。2.2浇注系统工艺改进控制臂铸件属于典型薄壁铸件,对充型时间要求较高,为提高浇注时间,稳定浇注过程,故将半封闭式浇注系统改成开放式浇注系统。开放式浇注系统阻流截面在直浇道上,充型平稳,对型腔冲刷力小,但挡渣能力稍差3。改进后的横浇道如图 8 所示,更改后各截面的比例为 撞F直:撞F横:撞F内=1:1.31:3.58。2.3制芯工艺改进砂芯的芯头断裂主要原因是砂芯受到充型铁液的强大浮力作用,芯头受到垂直方向的剪切力,砂芯的剪切强度偏低导致断裂。将含量为 1.3%、1.6%、1.8%的树脂(组分玉:(a)凝固率 15%(b)凝固率 75%(c)凝固率 95%图 5铸件凝
13、固过程分析Fig.5Analysis of casting solidification process图 6冷隔缺陷Fig.6Cold shut defect图 7芯头断裂部位Fig.7Location of sand core print fracturing芯头断裂部位Nodular Iron13现代铸铁 圆园24/2图 愿更改后的横浇道Fig.愿Improved runner bar图 9树脂含量、存放时间和砂芯强度关系Fig.9Relationship between sand core strength andresin content,resting period组分域=1:1)
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