液控?fù)Q檔閥閥體的快速制造

液控?fù)Q檔閥閥體的快速制造

更換擋閥液壓控制器是挖掘機(jī)的心臟部件之一，更換擋閥的船體是其健康零件。公司接手試制某型液控?fù)Q擋閥系統(tǒng)產(chǎn)品,該換擋閥閥體鑄件材料牌號(hào)為QT450-10,質(zhì)量22kg,外形尺寸277.9mm×221.9mm×78.7mm(見圖1)。在接到鑄件產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)圖紙之后要在15個(gè)工作日之內(nèi)提供一套合格鑄件毛坯的試制任務(wù)。如果按照新品鑄件傳統(tǒng)試制模式,僅加工制作整套砂芯模具就需要40余個(gè)工作日,加上前期模具工藝與三維建模設(shè)計(jì)(約3個(gè)工作日)及生產(chǎn)澆注時(shí)間(約2個(gè)工作日)共5個(gè)工作日,合起來至少需要45個(gè)工作日才能為機(jī)械加工單位提供新品鑄件毛坯。所以按傳統(tǒng)試制做法在時(shí)間上不可能完成及時(shí)交付合格鑄件毛坯的任務(wù)。從新品鑄件傳統(tǒng)試制時(shí)間周期來看,模具制造(40個(gè)工作日)占試制時(shí)間周期的88%,模具制作周期是能否完成試制任務(wù)的主要控制因素。為此,公司首次考慮采用“快速制造”技術(shù),無須制作關(guān)健的砂芯模具,大大縮短了新品鑄件試制周期,并最終在15個(gè)工作日內(nèi)順利完成了鑄件毛坯的試制任務(wù)。1砂芯制作工藝流程“快速制造”技術(shù)的原理是在特定的設(shè)備上將制件的三維模型沿某一坐標(biāo)軸進(jìn)行分層“切片”處理,然后使用特定的成型材料(寶珠覆膜砂)進(jìn)行“分層制造、逐層疊加”,直至制造出完整的三維制件(砂芯),其工藝流程為:三維CAD設(shè)計(jì)→快速制造(原型)→快速制?！∨可a(chǎn)(見圖2所示)。2選擇性激光燒結(jié)c根據(jù)車間現(xiàn)有條件,外模砂型在DS-10雙臂連續(xù)式樹脂砂混砂生產(chǎn)線上完成。而砂芯首次采用選擇性激光燒結(jié)寶珠覆膜砂的“快速制造”技術(shù)制作,每型生產(chǎn)1件。在此工藝方案中,僅用柏木制作鑄件木質(zhì)外模(圖3),其制作周期僅1個(gè)工作日,無須制作砂芯的芯盒模具。鑄件剖視圖如圖4所示,鑄件澆冒口系統(tǒng)圖如圖5所示,整體砂芯三維圖如圖6所示。2.1砂芯受力分析考慮到閥體鑄件外部形狀較為簡單、內(nèi)部油道縱橫交錯(cuò)復(fù)雜的特點(diǎn),砂芯與外模各取不同的收縮率,其中砂芯受阻收縮率為0.5%;外形尺寸277.9mm×221.9mm×78.7mm的自由收縮率為1.1%.鑄件外模是木模,拔模斜度為0°30′;閥體內(nèi)腔砂芯(含鑄件外部油路形狀)因?yàn)椴捎谩翱焖僦圃臁奔夹g(shù),不用模具,因而勿需取模,所以閥體內(nèi)腔砂芯不用考慮拔模斜度。2.2球墨鑄鐵鐵液所具有的官根據(jù)球墨鑄鐵件均衡凝固技術(shù)的工藝原則:澆注系統(tǒng)應(yīng)分散、平穩(wěn)、快速充填;冒口應(yīng)離開熱節(jié)而又靠近熱節(jié),冒口不必晚于鑄件凝固;充分利用冷鐵和澆注系統(tǒng)來調(diào)節(jié)鑄件的溫度場;配以必要的安全冒口;提高鑄型的自適應(yīng)能力,充分利用球墨鑄鐵的石墨化膨脹,達(dá)到提高鑄件致密度和工藝出品率的目的。由于球墨鑄鐵鐵液中含有一定數(shù)量的氧化物如MgO、CeO5等,它們與鐵液中另外的氧化物如FeO、SiO2等形成球墨鑄鐵特有的氧化膜,這種氧化膜處于固液狀態(tài),溫度愈低,膜越多越厚。當(dāng)澆注溫度低時(shí),膜被撕成碎片狀卷入鑄型造成夾渣。若鐵液充填鑄型不平穩(wěn)或斷流,極易產(chǎn)生氧化夾渣?；谝陨戏治?澆注系統(tǒng)必須具有平穩(wěn)快速的充填功能外,還應(yīng)具有良好的擋渣效果。故此采用封閉式澆注系統(tǒng)、采用“直一、橫一、內(nèi)二”澆注工藝,如圖5所示。各單元截面積比為2.0∶1.8∶1.0.冒口(兼排氣)數(shù)量為4個(gè),其尺寸為長60mm×寬35mm×高100mm.薄寬內(nèi)澆道分散進(jìn)水、冒口分散布置,可以促使鑄型的溫度場分布較為均勻,有利于鑄件均勻收縮,更利于澆注時(shí)型腔暢通排氣。2.3砂芯的“快速制造”技術(shù)砂芯三維圖工藝設(shè)計(jì)完畢后,不按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造模具路線制作砂芯,而是采用“快速制造”技術(shù)將砂芯三維圖文件輸入HRPS-Ⅳ選擇性激光燒結(jié)快速成形機(jī)中直接制作砂芯(然后將砂芯合型、澆注而得到鑄件),它是本次換擋閥閥體鑄件工藝方案中能否快速獲取鑄件毛坯的關(guān)健內(nèi)容。2.3.1覆膜砂的燒結(jié)將砂芯三維圖文件輸入HRPS-Ⅳ特定設(shè)備后,它首先將砂芯的三維模型用切片軟件分割成若干層二維“切片”,然后利用激光選擇性地?zé)Y(jié)“切片”區(qū)域內(nèi)的寶珠覆膜砂,每燒結(jié)完成一層切片后,再鋪上一層覆膜砂繼續(xù)燒結(jié)。如此層層累加,直至砂芯三維件制成為止。在砂芯工藝設(shè)計(jì)中,盡管鑄件內(nèi)腔油道復(fù)雜、形狀各異,但應(yīng)用“快速制造”技術(shù)可以將鑄件外部形狀與內(nèi)部油道的砂芯做成為一個(gè)整體,無須進(jìn)行多個(gè)砂芯取模與粘接組合,而直接得到形狀完整、內(nèi)部致密及尺寸準(zhǔn)確(精度±0.2mm)的整體砂芯如圖6所示。2.3.2砂芯未排砂芯砂芯在經(jīng)HRPS-Ⅳ特定設(shè)備制成后,須經(jīng)以下后處理工序后,才能進(jìn)行合型、澆注。1)砂芯檢查及修補(bǔ)、初烘烤按砂芯三維圖的工藝尺寸對(duì)制成的砂芯進(jìn)行尺寸及形狀檢驗(yàn)。剛制成的砂芯可能有局部細(xì)小的多砂或少砂缺陷,此時(shí)必須細(xì)心檢查。去除多砂部位、修補(bǔ)少砂缺陷,并在150℃±5℃的烘箱內(nèi)對(duì)砂芯初烘烤2.0h后隨爐緩冷至室溫取出。2)砂芯浸涂、再烘烤砂芯在調(diào)配好的水基涂料內(nèi)浸涂,做到均勻浸涂無堆積,并對(duì)砂芯在170℃±5℃烘箱內(nèi)再烘烤1.0h后隨爐緩冷至室溫。為防止砂芯初烘烤與再烘烤時(shí)發(fā)生變形,必須將砂芯放置在鑄鐵平板或平臺(tái)上,并用砂質(zhì)墊塊將砂芯芯頭墊靠后再進(jìn)行烘烤,如圖7所示。3)砂芯鉆排氣孔為利于砂芯在澆注時(shí)排氣順暢,在砂芯主閥孔油道上用手電鉆鉆φ3mm×40mm排氣孔(兩端共8處)后待用(合箱、澆注)。所鉆排氣孔如圖8所示。2.4澆注和排氣工藝方案在澆注過程中,確保砂型與砂芯順暢排氣也是獲取合格鑄件的關(guān)健控制因素之一。因此,采取的排氣措施有4點(diǎn):1)將砂芯在后處理階段鉆排氣孔(如圖8所示);2)按工藝方案要求一個(gè)不少地安放四個(gè)冒口,以利于型腔排氣;3)在鑄型的分型面、上型面劃(扎)出排氣溝槽,如圖9所示,并且合箱操作時(shí)保持暢通;4)澆注時(shí)在排氣孔位置放上已燃物如木屑等以便將排出氣體迅速引燃,如圖10所示,加快砂芯排氣。造型使用DS-10雙臂連續(xù)式樹脂砂混砂生產(chǎn)線,砂箱尺寸為500mm×400mm×130mm.采用壓鐵壓箱時(shí)盡量避開上型面排氣孔,如圖9b)所示。2.5制范圍及所需資源鑄件材質(zhì)牌號(hào)QT450-10,為鑄態(tài)鐵素體基體球墨鑄鐵。為此,為了確保鑄件致密無疏松、鑄態(tài)下有較好延伸率的工藝性能,鐵液化學(xué)成分控制要求是執(zhí)行高碳、低硅、低錳原則。其化學(xué)成分控制范圍如表1所示。為達(dá)到鐵液控制要求,原材料及配料比例為:Q10生鐵(50%)、回爐鐵(45%)、廢鋼(5%)、T-1球化劑(1.3%)、75硅鐵孕育劑(0.5%)等。因?yàn)榛貭t料中已含有部分錳量,為防止鐵液中錳量超標(biāo),工藝要求不允許在配料中再添加錳鐵。鐵液熔煉設(shè)備為0.5t/h中頻感應(yīng)電爐。鐵液球化孕育處理采用堤壩式裝填球化劑、其上覆蓋孕育劑、再蓋專用球化蓋板等的3步工藝法要求,整個(gè)處理與扒渣及取樣時(shí)間不允許超過4min.檢測性能用的試棒為單鑄敲落試棒,其毛坯尺寸為φ25mm×180mm(GB/T1348-2009).2.6人工控制時(shí)間澆注溫度選取1370℃~1395℃,并且控制每型澆注時(shí)間范圍不超過10.5s.同時(shí),為了保證球化質(zhì)量、防止孕育衰退,澆注時(shí)澆注過程中進(jìn)行人工瞬時(shí)孕育,孕育劑瞬時(shí)漏入量0.08%,孕育時(shí)間不超過8.0s.另外,澆注前點(diǎn)燃鑄型排氣溝槽處的易燃物,以便加強(qiáng)砂芯排氣。3結(jié)果和分析3.1砂芯質(zhì)量及澆注按“快速制造”技術(shù)制作4件砂芯,自砂芯三維工藝設(shè)計(jì)到快速成形機(jī)制作完成共用時(shí)10個(gè)工作日;首次試制澆注使用2件砂芯;自砂芯后處理至造型、合箱、澆注及鑄件樣件交付等共用時(shí)5個(gè)工作日。鐵液處理過程中出爐溫度1491℃;澆注溫度1373℃~1385℃;澆注時(shí)間分別為8.0s、9.8s;單鑄試棒澆注時(shí)測得溫度為1375℃.3.2性能試驗(yàn)鑄態(tài)下將試棒機(jī)械加工并送檢,檢測結(jié)果達(dá)到QT450-10牌號(hào)性能要求(如表2所示);金相組織如圖11所示,球化率達(dá)到85%以上。3.3砂芯尺寸和尺寸收縮率對(duì)鑄件進(jìn)行解剖,實(shí)際測量的鑄件收縮率為:在鑄件外形尺寸上的收縮率約為1.04%;在砂芯尺寸上的收縮率約為0.55%,均與工藝方案中選取的參數(shù)基本一致。同時(shí),各部位的加工余量都在設(shè)計(jì)控制的要求范圍之內(nèi)。3.4鑄造的薄密度將鑄件從分型面位置上并通過閥體主孔直徑方向整齊切開,沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、疏松缺陷,鑄件斷面組織均勻一致。3.5砂芯質(zhì)量未被使用在對(duì)2件鑄件檢驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)其中1件在內(nèi)腔油道口的小凸臺(tái)上有一個(gè)φ3mm左右的缺口現(xiàn)象如圖12a)所示。經(jīng)過對(duì)同批制作但還未使用的砂芯檢查后發(fā)現(xiàn),確認(rèn)是在砂芯后處理過程中該處砂芯存在遺留的多砂缺陷未被檢查出來,造成在澆注后該處小凸臺(tái)上出現(xiàn)缺口缺陷。根據(jù)上述分析,預(yù)防鑄件缺口缺陷的措施重點(diǎn)是加強(qiáng)對(duì)“快速制造”砂芯后處理過程控制,真正做到砂芯不能存在多砂、少砂或涂料堆積現(xiàn)象;同時(shí),現(xiàn)場挽救措施是對(duì)缺口部位進(jìn)行點(diǎn)焊,如圖12b)所示,達(dá)到使用性能要求,減少了試制損失。4設(shè)計(jì)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求試制后期又采取上述工藝方案再次進(jìn)行生產(chǎn)澆注,鑄件內(nèi)腔的細(xì)小缺口缺陷問題被根除,鑄件的整體質(zhì)量穩(wěn)定一致,因此在15個(gè)工作日之內(nèi)及時(shí)完成了從接手鑄件設(shè)計(jì)資料開始至鑄件樣件合格交付鑄件的試制任務(wù)。同時(shí),對(duì)首套鑄件新品鑄件的機(jī)械加工檢查、在試驗(yàn)臺(tái)上裝配試驗(yàn)、在用戶的挖掘機(jī)上裝機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證后,鑄件的尺寸、致密性及試驗(yàn)、使用性能參數(shù)都經(jīng)受