升维控制思想在复杂液压铸件生产中运用.pdf

现代铸铁圆园23/4收稿日期：2023-02-10修订日期：2023-07-18作者简介：刘龙（1984），男，江苏徐州人，硕士，高级工程师，主要从事铸造工艺及材料研究工作。升维控制思想在复杂液压铸件生产中运用刘龙（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州213011）摘要：介绍了升维控制思想的核心技术理念：（1）“挡渣浇注系统设计”理念解决渣眼问题；（2）“冒口系统设计”理念解决缩孔缩松问题；（3）“排、减、溢”理念解决气孔问题；（4）“多参数模拟法”理念解决充型和补缩问题。以大型多路阀盖铸件为例，详细阐述了升维控制思想在复杂液压铸液压铸件产品开发和质量改进中的运用。最后指出：高端复杂液压件对质量的一致性要求极高，从升维控制思想入手，全面系统掌握工艺设计、工艺模拟、工艺分析及缺陷预测，在批量生产前期不断完善工艺过程，可以确保铸件质量可靠稳定。关键词：球墨铸铁；液压铸件；升维控制思想中图分类号：TG255文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园23）园4原园园60原05Application of Dimension Raising Control Concept in Production of Complex Hydraulic CastingLIU Long（CRRC Qishuyan Institute Co.,Ltd.，Changzhou213011，China）Abstract：The core technology concept of dimension raising concept was introduced：（员）Slag skimming gating system designconcept solved slag inclusion problem.（2）Riser system design concept solved shrinkage cavity and porosities problem.（3）Venting，reducing，overflowing concept solved blowhole problem.（4）Multiple parameters simulation concept solved mold fillingand feeding problems.By taking a large multiple channel valve cover casting as sample，the application of the concept ofdimension raising concept in development and quality improvement of complex hydraulic casting was described in detail.Finally，pointed out：the quality consistency requirements of high-end complex hydraulic parts were very high，starting from thedimension raising concept，comprehensively and systematically grasp the process design，process simulation，process analysisand defect prediction，the continuous improvement of the process in the early stage of mass production could ensure thereliability and stability of the casting quality.Key words：nodular iron；hydraulic castings；dimension raising concept经过近几年的发展，液压件的质量提高显著，但依然存在两个主要问题：一是普通低水平铸件竞争十分激烈，附加值相对较低；二是高端铸件质量不稳定，大量依赖进口。尤其是大批量供发展机会。5结束语智能化铸造车间不是简单的铸造装备和铸造工艺升级，而是从管理模式、人员配备的整体转变，需要的更多是设备维护人员、铸造技术人员和质量人员，这些人员需要在车间建造和改造过程中一同参与进来，而不是车间建造完成后再进入，否则会出现一系列的问题找不到根源。智能化铸造车间适合大批量固定类型铸件生产，小批多牌号的铸件反而会降低车间产量和生产质量，增加人员的工作难度，提升车间的运行成本。（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）其他Others60圆园23/4现代铸铁制造铸件时，高端液压铸件质量稳定性不高，存在铸件缩松、气孔、夹杂物、材料性能及微观组织等不能完全达到质量问题。因此铸件生产企业应寻找一种新的思维方式来解决铸件出现的缺陷问题，进而提高铸件质量。1升维控制思想与平衡法“升维控制思想”就是突破眼前的思考限制，让控制的思维进入更高一个层次的维度。平衡法就是通过“人”、“机”、“料”、“法”、“环”多思路去考虑，对诸多因素采取措施。两者主要区别在于：采用“平衡法”解决缺陷问题，会导致过程控制难度加大甚至相互矛盾，解决了一个问题会导致其他问题产生；而升维控制思想在铸件开发和改进时可以在更高一个层次的维度去解决质量问题，解决问题的方式较为系统。比如生产中常见的缩松问题，平衡法在铸造工艺设计和质量控制上通常采用不断试验浇注温度、碳当量、冒口冷铁、合金元素、孕育方式等一系列措施，一定程度上消除了缩松，但往往这些措施并没有带来十分稳定的质量保证，还会产生质量波动，由此认为是某个过程发生了变化导致的，又开始寻找变化的因素，周而复始。而升维控制思想强调设计正确的冒口、冷铁才是最有效的方法，这样生产的铸件在碳当量、浇注温度等在较大范围内变化也不会导致铸件产生缩松缺陷，也就可以选择较高的浇注温度、较低的碳当量及较高的球化剂加入量，采用这些措施还会使铸件的气孔、石墨漂浮及球化不良等问题得到解决。2升维控制思想的核心理念升维控制思想的4 大核心铸造技术理念是：（1）运用“挡渣浇注系统设计”理念解决渣眼问题；（2）运用“冒口系统设计”理念解决缩孔缩松问题；（3）运用“排、减、溢”理念解决气孔问题；（4）运用“多参数模拟法”理念解决充型和补缩问题。在液压件开发与改进过程中应将升维控制思想灵活运用其中，如：最常见渣眼缺陷可以从型砂、模具及造型过程进行防止。但夹渣是由铁液中夹杂物引起的，容易在内浇道、冒口颈附近析出形成渣眼。对此，为了得到良好的铸件表面质量，采用双重挡渣浇注系统（造型线适用），除了设置过滤网外，采用高横浇道和薄内浇道的封闭式浇注系统，可有效防止铸件产生渣眼缺陷，得到表面质量良好的铸件。优秀的挡渣系统设计有以下优点：充型平稳，有利于减少夹渣；采用封闭式浇注系统，利于挡渣，实现顺序凝固，补缩效果好；造型简单，生产效率高1。3典型案例3.1铸件结构及技术要求大型多路阀盖铸件的材料牌号 QT700-2，铸件单重 31 kg，最大外形尺寸 200 mm伊205 mm，高105 mm，最小壁厚 6.5 mm，主要壁厚 95 mm，铸件结构如图 1 所示。采用 ACE 造型生产线，砂箱尺寸为 780 mm伊580 mm伊300/300 mm。技术要求：全部铸件本体取样，取样位置如图 2 所示，抗拉强度逸680 MPa，屈服强度逸400MPa，伸长率 2%，布氏硬度 220320 HB；高压油道、低压油道中尺寸精度依0.8 mm，外型尺寸依1.2（a）（b）图1铸件结构示意图Fig.1Sketch of casting structure其他Others61现代铸铁圆园23/4（a）拉伸试棒（b）金相试样图圆铸件本体取样位置Fig.圆Sampling location of casting body抗拉试棒 1抗拉试棒 2金相试样 1金相试样 2mm。加工表面允许有直径小于 1 mm、深度不超过 1 mm 的砂眼、夹渣物和气孔缺陷，碰伤小于 1mm，错型不大于 0.5 mm，非加工面不允许的砂眼、夹渣、气孔。小批量 16 件 100%全尺寸划线，260 件以内需 100%进行射线和超声波检测，量产每批次取样 2%，100%模穴进行着色检查。3.2铸造工艺根据铸件结构和技术要求，使用升维控制思想，采用湿型砂生产工艺，砂芯为覆膜砂，一型 2件造型。砂芯设计如图 3 所示，整体用全壳型砂芯，标记为#1 和#2，高压口处砂芯为浅绿色，标记#3，补砂芯为深绿色，标记为#4、#5，低压口油道内腔砂芯位蓝色，标记为#6。选择半封闭式浇注系统2-5，各组元的截面比为 撞F直:撞F横:撞F内=4:8:3.5。采用双重挡渣浇注系统，在直浇道侧设置一处竖放泡沫陶瓷过滤网，过滤网尺寸 100 mm伊100 mm伊22 mm，规格为10ppi。采用高窄横浇道和薄而宽的内浇道，在横浇道末端设置集渣窝，型板布置方案如图 4 所示。为防止第一股脏铁液进入型腔，设置 20 mm 爬芯结构，如图 4 所示的 A 处。采用控制压力冒口，对冒口大小、形状、冒口颈、内浇道、压力锥、冷铁（a）（b）（c）防变形加强筋#1手持槽（左）#2防变形加强筋#4#6组芯定位排气槽#5#3图3多路阀体铸件的砂芯设计方案Fig.3Sand core design scheme of multiple channel valve body casting图4型板布置方案Fig.4Layout scheme of pattern plate（a）上型（b）下型下型出气针上型A 处液压钳钳口分离位置其他Others62圆园23/4现代铸铁等进行优化设计，将冒口设置在盖子芯上。浇注温度（1 440依10）益，浇注时间 1314 s。3.3模拟分析运用三维软件 UG 对铸件三维、冒口和浇注系统等进行实体建模，开始浇注温度（1 440依5）益，末箱浇注温度（1 410依5）益，砂型温度 25 益，浇注时间 1113 s，铸型刚度中等，热交换系数选择 C800C1 100。图 5 为铸件的充型过程模拟结果，图 6 为铸件的凝固过程模拟结果。铁液充型平稳，未出现紊流现象，第一股进入的脏铁液未进入铸件，挡渣效果较好，可有效防止铸件产生渣眼缺陷。由图 7 所示的铸件热节分布和缩松分布可见，缩孔缩松问题得到解决。3.4生产验证按照上述工艺小批量生产 15 件铸件，进行100%尺寸划线检测验收，尺寸符合技术要求。取260 件 100%射线及超声波检测，无任何铸造缺陷，力学性能也符合客户要求，现已批量生产 5 000件铸件，废品率为 0.12%。3.5升维控制思想的运用分析3.5.1“挡渣浇注系统设计”理念解决渣眼问题渣眼是液压件最常见的外观缺陷，是铁液中夹杂物引起的，容易在内浇道、冒口颈附近析出形成渣眼。采用双重挡渣浇注系统，即：除了设置过滤网外，采用高横浇道和薄内浇道的封闭式浇注系统，同时设置 20 mm 爬芯结构，由后续模拟结果及生产出的铸件可见，该设计有效防止了第一股脏铁液进入型腔，挡渣能力较强，保证了铸件质量。3.5.2“冒口系统设计”理念解决缩孔缩松问题铸件的分型方案设计有以下优点：（1）砂芯数量少，利于砂芯定位；（2）利于浇注系统设计，简化造型工艺；（3）利于批量生产，提高生产效率。采用控制压力冒口设计，对冒口大小、形状、冒口颈、内浇道、压力锥、冷铁等进行优化设计，将冒口设置在盖子芯上，再进行正确的冒口工艺设计。该优化冒口设计，达到了消除缩松的目的。3.5.3“排、减、溢”理念解决气孔问题液压件的形状复杂，砂芯较多，一些铸件采用壳型铸造，而覆膜砂的发气量很大，铸件容易产生侵入性气孔及气隔缺陷。为了彻底解决液压件气孔缺陷，提出了“排、减、溢”原则，可有效解决液压件的气孔问题，尤其是一些复杂铸件难以解决的气孔问题，该原则的使用非常有效，可以完全消除液压件气孔，为稳定生产提供保障1。在该铸件开发中优先采用顶注冒口，在覆膜砂受热后发气，可以将气体顺畅地通过顶注冒口排出。（a）充型 10%（b）充型 25%（c）充型 70%（d）充型 100%图缘充型过程模拟结果Fig.缘Simulating result of mold filling process其他Others63现代铸铁圆园23/4图远凝固过程模拟结果Fig.远Simulating result of solidification process（a）凝固 10%（b）凝固 40%（c）凝固 70%（d）凝固 98%3.5.4“多参数模拟法”理念解决充型和补缩问题铸造模拟软件在铸造工艺设计中是必不可少的工具，也是产品质量先期策划中最重要的一环，可以提前规避掉设计不足，辅助设计人员及时调整工艺设计参数，确保铸造工艺和模具一次开发成功。同样使用铸造模拟软件可以辅助剖析铸件结构特点，分析原来工艺设计的不足，便于快速改进原先的铸造工艺2。在大型多路阀盖铸件的铸造工艺设计时，使用铸造模拟软件辅助模拟分析，节省了研发时间，提高了生产效率。4结束语高端复杂液压件对质量的一致性要求极高，从升维控制思想入手，全面系统掌握工艺设计、工艺模拟、工艺分析及缺陷预测，在批量生产前期不断完善工艺过程，可以确保铸件质量可靠稳定。参考文献1刘龙.QL 公司风机铸造部件质量控制研究D.上海：华东理工大学，2017.2乔新坤，周卫兵，江超.3M78 缸体的铸造工艺模拟优化J.现代铸铁，2023（2）：40-45.3龚华林.新能源汽车差速器壳体的铸造工艺开发和改善J.现代铸铁，2023（1）：38-43.4王涛，扈守萍，贾连磊，等.带水套夹层排气管的铸造工艺J.现代铸铁，2023（1）：47-50.5陈洪涛，孙军，戚梦林.L 轴承箱型芯的铸造工艺设计J.现代铸铁，2023（1）：30-34.6刘龙，房锡成，胡彬，等.大型风电机架工艺设计及质量控制J.现代铸铁，2011（6）：53-56.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）（a）热节分布（b）缩孔缩松分布图7铸件热节分布和缩松分布Fig.7Distribution of hot spots and shrinkage porosities其他Others64