不锈钢薄壁透空蝶板件精铸工艺研究[共6页]

1、不锈钢薄壁透空蝶板件精铸工艺研究叶宗林 张年玉 毕孝桃 刘勇（安徽应流集团技术中心 安徽省六安 237200）摘要：根据轻量化蝶板的结构特点，采取相应的工艺措施。通过施放工艺孔、钢液净化、放置吹砂孔、浇口杯内放过滤网、直浇道中部设置短缩颈等措施减轻或消除壁厚不均、黑点、变形等铸造缺陷。由此确定了轻量化蝶板精铸工艺设计的基本方法。关键词：精密铸造；工艺设计；过滤网；黑点缺陷；轻量蝶板Investment Process Investigation of Stainless Steel Thin-wall Hollow Butterfly PlateYe Zonglin Zhang Nianyu

2、Bi Xiaotao Liu Yong（Anhui Yingliu Group Technology Centre Luan Anhui P.R. China 237200）Abstract:Base on structure of light butterfly plate, relevant actions should be made.By making technological holes, cleanness of liquid metal, making orifice for cleanning dust and other foreign matter, placing fi

3、lter inside of pouring cup to alleviate or avoid such defects as different thickness, black spots and distortion.Therefore we determine investment process design. Key words:investment casting, process design, filter, black spots, light butterfly plate蝶板是蝶阀装备中的核心零件，通过在阀体内绕其自身的轴线旋转从而达到启闭或调节流体流量的目的。传统的

4、蝶板厚大而笨重，材料消耗多。随着金属资源越来越紧缺，市场竞争日益加剧，蝶板设计也日趋轻量化。主要表现在蝶板主体内部透空、厚度超薄、密封面缩小。这种结构的改变给蝶板铸造带来了极大的困难。不少客户这类结构设计的蝶板在其它铸造厂久试不成，主要存在的问题是铸件变形严重，无法校正，密封面加工后气孔、夹渣多。我们在接到此类铸件样品订单后，仔细分析此产品结构特点，结合使用先进的MAGMA模拟软件，采用中温蜡硅溶胶制壳精铸工艺，经过两轮试制，圆满地完成了客户的样品制造任务。目前已批量生产多个厂家的轻量化结构系列蝶板。1 蝶板铸件结构特点及工艺设计要点1.1 铸件结构特点及要求图1所示为蝶阀装配图，其核心零件圆

5、盘形蝶板属于典型的大平面薄壁件。这个零件对同轴度及圆周密封面加工精度要求非常高。图2为蝶板铸件图，从铸件结构上看：该件直径达600mm，蝶板壁厚10mm，圆周边缘厚度只有7mm，内腔是空心的，铸件热节在轴线两端头的位置。其技术要求铸件轴向变形量1mm，外径加工后无任何铸造缺陷，100%部位RT检测，蝶板非加工面缩松、气孔、夹杂缺陷符合二级验收标准，气密性要好，无渗漏。 图1 蝶阀装配图 图2 蝶板平面图1.2 工艺要点及对策为满足铸件技术要求，保证客户的样件开发交期，接到样品订单后我们组织了详细的工艺讨论。此铸件壁薄平面大，内腔孔深长，为保证铸件壁厚均匀，变形量小，蜡模必须有足够的强度。采用中

6、温蜡制模可达到此要求。熔模在靠近中间部位合适的位置开设两个工艺孔，可确保焙烧时型壳内外不发生相对位移。为保证圆周密封面加工零缺陷，工艺设计时必须保证铸件在充型时不会存在“水平大平面”现象，要设法减少钢液二次氧化，熔炼出钢前加精炼剂精炼，提高钢液纯净度。2 工艺设计及试制生产实践2.1工艺方案设计综上考虑拟定以下两种组焊工艺：蜡模组焊方案1：如图3，平焊顶注式浇注工艺，浇口安放在两个端头的热节处。为保证铸件壁厚均匀、制壳时内腔风干充分及后道工序内腔容易清砂，在铸件的一侧靠近中间适当位置开设两个工艺孔，工艺孔直径35mm，如图4。为避免充型时存在水平大平面，浇注前将模壳的一头垫高，倾斜15-30。

7、熔炼采用中频感应炉，在出钢前加精炼剂精炼，断电静置3-5min。图3 组焊方案1 图4 工艺孔放置蜡模组焊方案2：如图5，立焊立浇直浇道-内浇口式浇注工艺，浇口安放在两个端头的热节处，工艺孔放置同方案1。蜡模上方安设排蜡拉筋，保证脱蜡时排蜡通道畅通。为防止蝶板变性翘曲，我们将两个浇口中间部分的直浇道截面减小。熔炼采用中频感应炉，在出钢前加作者简介：叶宗林（1986-），男，安徽省六安人，工程师，主要从事精密铸造工艺研究。精炼剂精炼，断电静置3-5min。图5 组焊方案2 2.2 方案实施及结果分析上述两种方案同时进行试验，均采用中温蜡硅溶胶精铸工艺。制模时严格控制蜡模变形度，由检验员按照蜡模控

8、制尺寸对每件蜡模进行检测并记录。制壳、脱蜡、焙烧、浇注工艺要求相同。试验结果如下：方案1整个圆周密封面加工有较多的气孔及夹渣缺陷，分布不规则；变形量大，同轴度偏差在3-4mm。方案2圆周密封面加工在靠近上部120-140对称范围内有点状夹杂缺陷，缺陷很小，呈黑点状，分布不连续，不同于方案1中的夹渣缺陷，谓之为“黑点”，圆周其余区域加工无问题；下方浇口根部有轻微缩松；变形量较大，同轴度偏差在2-3mm。针对此两种方案试验结果，分析如下：方案1铸件水平组焊，虽然浇注时模壳稍作倾斜，但还是无可避免的存在水平大平面，钢液摊铺面积大，与空气接触面积大，钢液表面二次氧化严重。钢液由中心轴向外径薄壁处流动，

9、到达外径时钢液温度明显下降，钢水中氧化夹杂被推移至外径处形成夹渣、气孔缺陷。方案1铸件在凝固的时候，铸件上部受冒口热量影响，其温度始终要高于铸件下部靠近地面的部分，铸件上、下面温度场分布不均衡，冒口凝固形成收缩应力迫使铸件弯曲变形。方案2下方浇口凝固时，上方直浇道断面小，凝固早于下方浇口，未能将铸件热节完全引出，在浇口根部形成轻微缩松。立焊立浇工艺冒口棒被铸件完全包围，冒口棒处不易散热，铸件外侧散热很快，浇口侧铸件的温度就会远远高于外侧铸件的温度，铸件内侧、外侧温度场分布不均衡，冒口凝固形成如同方案1的收缩应力迫使铸件弯曲变形。为什么其变形量小于方案1，主要是两浇口中间部分的直浇道截面减小，在

10、凝固的后期，此部分直浇道已经形成了一定的强度抵消了一部分冒口收缩形成的应力。在外径靠近上部120-140对称范围内有点状夹杂缺陷，是由于钢水的纯净度不够或是模壳型腔中存在的杂质造成。3 工艺修正及再次试制实践3.1 工艺修正 两种方案的结果显示：两种方案铸件变形量都较大，圆周球面加工不合格，铸件未能达到其技术要求。综合对比这两种方案：方案2铸件的变形量比方案稍小，圆周球面加工无气孔缺陷，外径靠近上部120-140对称范围内有少量黑点缺陷，下方浇口的轻微缩松亦容易解决，方案2要优于方案1。对方案2立焊立浇工艺进行修改，形成以下两种更改后工艺： 蜡模组焊方案3：原浇口位置不变，立焊立浇，采用直浇道

11、-内浇口式浇注工艺。熔模上方排蜡拉筋放置及钢水精炼、静置要求同方案2，在两浇口之间的冒口棒设制了一个冒口颈。冒口颈细而短，因为其细，冒口收缩时易于从冒口颈处断裂，松弛冒口的收缩应力，减轻对铸件的应力作用；因为其短，此处散热慢，凝固迟，能满足冒口自下而上的顺序凝固，充分补缩铸件。为了解决圆周球面加工黑点缺陷，确定在浇注前放置泡沫陶瓷过滤网，如图6示。泡沫陶瓷过滤网具有整流作用，金属液在浇注时一般都呈紊流状态，当通过过滤网后金属液趋于层流状态，有利于夹渣物上浮，减少对模壳的冲击，减少二次氧化夹杂；其主要具有吸附作用，泡沫陶瓷过滤网有很大的比表面积，有许许多多细小而密集的弯曲通道，在金属液流过这些弯

12、曲通道时，微小的夹杂物很容易被吸附到过滤器通道壁上。 图6 过滤网放置蜡模组焊方案4：立焊立浇式，更改浇口位置，将上方浇口安放在铸件外侧，均匀铸件内、外侧凝固时的温度场及应力场。维持方案3中的加冒口颈、加排蜡拉筋，炼钢时钢水精炼、静置及浇注时放置过滤网的方法。此外，在熔模的底部焊制了一个40X40X60的吹砂孔，型壳焙烧后用压缩空气将型壳型腔死角处可能有的杂质从吹砂孔处完全清除，浇注前再用成型堵头堵住此吹砂孔。为了防止后道工序焊补工艺孔时造成铸件变形，将原先的两个工艺孔放置在铸件同一侧更改为放置在铸件的不同侧，如图7示。后道工序焊补工艺孔时可以使铸件两侧的焊接应力分布对称，不会造成铸件变形。方

13、案3和方案4两种组焊方案工艺孔作相同更改。 图7 工艺孔更改在实施方案前有必要模拟验证此更改工艺的可行性，对比两种工艺对预防铸件变形的差异。模拟采用德国MAGMA凝固模拟软件，分别进行了凝固过程温度场模拟，模拟结果如下：图8中 t表示充满型后的时间，P表示该时间内已凝固体积占模组总体积的百分比，图8(c)表示温度场，温度场中浅白色和白色区域为液态金属，由白色到下方的浅灰色为处于液、固相线之间的凝固区域，正在发生凝固，灰色及深灰色为固态区域（铸件部分已成为灰色）。图8（a）为方案3凝固过程温度场模拟图示，图8（b）为方案4凝固过程温度场模拟图示。对比这两种模拟结果看出：方案3中铸件浇口侧与对侧温

14、度场不均衡，凝固初期可能存在有轴向变形现象；方案4中浇口安放在铸件的两侧，铸件两侧温度场分布均衡，可以减轻铸件变形。(a) t=8min P=72.44% (b)t=10min P=72.11%(c)图8 凝固过程温度场模拟3.试制结果及分析经过同时试验生产，显示结果如下：方案3圆周密封面加工黑点缺陷基本去除，只是在球面上部存在有2处很小的不规则的黑点缺陷；变形量比方案1、方案2小，同轴度偏差在1-2mm，但这还是没能达到此产品同轴度偏差小于1mm的要求。方案4经精加工显示：圆周密封面无黑点缺陷。变形量小于1mm，同轴度完全能够达到此产品使用要求。 方案3轴向变形比方案4的大。这与我们MAGM

15、A凝固过程温度场的模拟分析结果相吻合。其原因就是方案3铸件凝固时两侧的温度场分布不均衡造成。方案3圆周密封面上部仍存在有2处很小的不规则的黑点缺陷，此与型壳内可能存在的少量杂质有关。方案4在熔模的最底部焊制了一个40X40X60的吹砂孔，完全清除了模壳型腔死角处所存在的少量杂质，再加上泡沫陶瓷过滤网对钢水的挡渣去杂作用，完全去除了黑点缺陷的形成来源。4 批量生产实践为进一步验证方案4的工艺稳定性，试制厂进行了小批量生产试验。共生产20件，每件都做有唯一性的标识以便于区分，由检验员按照蜡模控制尺寸对每件蜡模进行检测并记录。批量试验结果显示：有15件一次性合格，变形量小于1mm；有5件有轻微超差，变形量在1-1.5mm，由后道精整校正合格（采用专用校具进行校正）。对此超差的5件，通过复查过程记录，发现蜡模变形量偏大。工艺人员对蜡模控制尺寸进行了修正，将蜡模尺寸公差范围适当缩小。5 结论采用中温蜡硅溶胶精铸工艺生产不锈钢薄壁透空蝶板件是切实可