优化铸造工艺过程设计

一、浇注位置及分型面

根据飞轮的结构特性，都是采用水平浇注位置及水平分型，并将重要的轮缘部位等置于铸型下方。

二、模样

根据所确定的浇注位置及分型面等，模样的制作可分为实体模样及刮板造型两种方案。

1.实体模样

为使飞轮尺寸准确和铸造操作方便，一般制成实体模样。飞轮的直径较大，呈扁平形状，如果采用普通木质结构实体模样，当停放时间较长时，容易产生翘曲、变形等缺陷。因此，可采用钢结构、金属圆盘与木模相结合的组合式模样。

图8-2所示为大型飞轮模样结构及铸造工艺示意图。飞轮的轮廓尺寸为φ4200mm×430mm（轮缘最大外径×总高度），材质为HT300，毛重22t。轮缘铸齿部位共由10块铸齿砂芯3组成。采用底注式浇注系统，12个φ35mm内浇道5分别设置在两块大型木质平衡铁2部位。为适当加快局部冷却速度，在木质平衡铁上平面及圆根部位，分别设置了外冷铁7和8。该组合式模样的结构为：飞轮的主要圆盘部分，设计成金属型（HT200）圆盘体模样1；两块大型木质平衡铁2则采用木质模样，牢固地镶嵌在金属型圆盘体1上。这种组合式模样便于造型操作，可长期使用，不会变形，获得了较好的效果。

图8-2 大型飞轮模样结构及铸造工艺示意图

1—金属型圆盘体 2—木质平衡铁 3—铸齿砂芯（共10块） 4—直浇道（4×φ65mm） 5—内浇道（12×φ35mm） 6—冒口 7—平面外冷铁（厚度为80mm，石墨板材） 8—圆根部位外冷铁（石墨板材）

2.刮板造型

刮板造型可节省大量制模木材和工时，从而大幅度降低了模样成本。

三、铸型

对大型飞轮铸型最主要的要求是：铸型必须具有足够的强度和刚度，以在生产全过程中承受飞轮自重及浇注时产生的很大的浮力作用等，不能产生尺寸变化等缺陷。

1.造型材料

造型材料目前一般采用强度较高的冷硬呋喃树脂砂，24h后的抗拉强度应控制为1.0～1.5MPa。为确保树脂砂的基本性能合格，旧砂经回收、再生处理后，新砂的补充加入量应达到15%～20%；或靠模样表面全部采用新砂混制的面砂，砂层厚度约为60～80mm，背砂则使用旧砂混制的型砂。树脂砂仅适用于实体模样造型。

目前，个别单位仍在继续采用普通粘土砂，配合采用刮板造型法，可大幅度降低铸型成本。

2.造型方法

目前，大型飞轮等轮形铸件生产中应用的造型方法有以下两种。

（1）用实体模样造型 这是普通采用的方法，这种方法更有利于保证铸件质量。

图8-3 大型轮形铸件刮板造型装置简图

1—轴杠（45钢） 2—活页（ZL102） 3—衬套（ZCuSn5Pb5Zn5） 4—调整垫圈（45钢） 5—顶钉（45钢） 6—底座（HT200） 7—砂箱底板（HT200） 8—飞轮刮板（木质）

（2）刮板造型法 轮形铸件采用刮板造型方法时，造型材料必须应用粘土砂。刮板造型装置如图8-3所示。

首先将底座6紧固于砂箱底板7上成为整体，将轴杠1插入底座6中。将飞轮刮板8固定于活页2上，再将活页套在轴杠上，活页可沿轴杠上、下滑动，根据刮板形状及砂箱高度调节活页至合适位置。然后使用顶钉5，将调整垫圈4的位置固定。活页刮板绕轴杠旋转，即可进行刮板造型。在整个造型过程中，必须注意防止刮板、活页及轴杠有任何松动，以确保刮制成的砂型尺寸准确。刮板造型的砂型，一般依据分型面上的中心线及随刮板刮出的“止口”来定位。为减少刮板工作面在刮砂型时的磨损，须在与工作面相垂直的板面上镶一块厚度约2～4mm的钢板条，以防因刮板磨损而影响尺寸精度。

3.铸齿砂芯

大型飞轮的铸齿质量是最受关注的。铸齿必须具有足够的强度、光滑的表面和合格的尺寸精度，且无内部缺陷。

（1）芯盒结构 芯盒的结构要求为：每个铸齿砂芯包括6～8个齿，为减少变形和尺寸误差，齿数不宜过多或过少；每块砂芯之间的分界接缝应设在齿顶部位；齿的工作表面应平直，不能留有斜度；沿齿轮径向起模。芯盒的结构如图8-4所示。

（2）造砂芯材料 选用呋喃树脂砂，且全部用新原砂经混制而成，不得加入旧砂，使其具有足够的强度等良好性能。砂芯中要放入铸铁芯骨，以增加强度及刚度。造芯时的舂砂方向和起模方向如图8-4所示。

（3）涂料 铸齿表面进行流涂或喷涂，涂料层厚度要均匀，确保涂料层质量。

（4）尺寸控制

1）大型飞轮的径向线收缩率一般可取0.6%～0.8%。影响线收缩率的因素较多，如大飞轮的结构特性、化学成分、铸型种类、砂型及砂芯的退让性等。要经过多次校正测量，才能得出较准确的具体数值。

图8-4 铸齿芯盒结构示意图

1—铸齿模样 2—铸齿砂芯 3—芯盒框 4—定位装置 5—芯盒底板

2）用样板检查。常用的检查样板如图8-5所示。铸齿砂芯组装时，首先要用一个特制的单齿模样，置入每两块砂芯对接处型腔中，检查对接齿外形轮廓尺寸的准确性。然后用图8-5b所示的覆盖5个齿的样板，检查两块砂芯对接组合后的圆度。

齿根尺寸的控制非常重要。采用刮板造型法时，先将轴杠插入砂箱底板上的轴杠底座中，将如图8-5a所示的样板套在轴杠上，检查每块铸齿砂芯的齿根尺寸。经过反复多次调整，即可保持整体铸齿尺寸的基本准确。

全部铸齿砂芯组装并调整尺寸后，要用型砂将对接缝隙及芯头间隙填紧，严防砂芯发生径向移动。

3）铸齿砂芯经充分硬化后才能起模，然后平放在平板上。在搬运、组芯全过程中，不准有任何变形或损伤，更不准进行修补，以保持齿形良好。

树脂砂型组芯、合箱完成后，要用热风烘干机进行充分烘干。热风温度为160～180℃，连续烘干10～12h后，才能进行浇注。

图8-5 大型飞轮铸齿尺寸控制样板

a）齿根尺寸检查样板 b）铸齿砂芯组合尺寸检查样板

四、浇注系统

1.对浇注系统的基本要求

大型飞轮浇注系统的设置，应考虑到诸多相关因素的综合影响，如结构特点，包括直径大小、壁厚、质量、复杂程度、铸型种类及铸件材质等。浇注系统要着重满足以下主要基本要求：

1）大型飞轮扁平型铸件的表面积很大，铁液在铸型内应平稳、连续地上升，避免对砂型和砂芯发生冲击、出现漩涡、卷入空气、产生氧化夹杂等。

2）设有平衡铁的大型飞轮的壁厚相差极度悬殊，各部位的温度差别很大，致使产生很大的铸造内应力，很容易引发裂纹。根据同时凝固原则，应尽量使铁液从飞轮的薄壁部位引入，以调节温度分布，减少各部位的温度差，防止产生裂纹缺陷。

3）飞轮铸件对铸齿质量的要求很高，应使铁液的流经距离较短，并要控制流动方向和速度，使其在设定的时间内均匀地充满每个铸齿，使齿形轮廓清晰、完整，不能有皱皮、冷隔等缺陷。内浇道不宜设置在轮缘的局部区段。因为轮径较大，铁液流到轮缘相应对面的距离较远，温差也相应增大，将影响铸齿结晶组织的均匀性等。在设置内浇道的区段内，容易停留氧化夹杂物等，从而会对铸齿质量产生不良影响。

4）应具有很强的挡渣能力，不能让熔渣、氧化夹杂物等进入铸型内，以防止产生夹杂等缺陷。在大轮生产中，多采用设有拔塞、挡渣板的大容量浇注箱。在浇注过程中，应使浇注箱内的铁液量保持有足够的高度，不能产生漩涡，让熔渣等杂物浮在浇注箱内铁液的表面上，不流入直浇道内。封闭式浇注系统具有更强的挡渣能力，其各部分截面积的比例为

A₃∶A₂∶A₁=1∶1.5∶（1～1.2）

2.典型浇注系统

大型飞轮的类型很多，其中较典型的铸造工艺浇注系统的型式如下。

图8-6所示大型飞轮的最大轮径为φ2600mm，材质为HT300，毛重约3t，轮幅板壁厚40～50mm，属于机械加工铣齿。从图中可以看出，此铸件采用底注式浇注系统。8道内浇道均匀地分布在飞轮中央区域的分型面上，铁液能同时均匀地流动，并平稳上升至轮缘区充满铸型。铸型的气体能顺利排出，获得了良好的效果。

图8-6 大型飞轮铸造工艺示意图（一）

1—直浇道（2×φ53mm） 2—横浇道 3—内浇道（共8道，均布，×14mm） 4—冒口 5—铸孔砂芯

图8-7所示大型飞轮的直径为φ2500mm，材质为HT300，毛重约7t，铸壁厚度最薄部位为120mm。铸齿砂芯1共有7块。采用底注式浇注系统。12个φ28mm内浇道均匀地分布在飞轮中央内法兰部位底部，使铁液较均匀而平稳地上升并充满铸型。为适度加快局部冷却速度，在上平面及圆根部位分别设置了外冷铁5、6，对防止产生缩凹及缩松等缺陷，均可获得较好的效果。

图8-7 大型飞轮铸造工艺示意图（二）

1—铸齿砂芯 2—直浇道（3×φ60mm） 3—内浇道（12×φ28mm） 4—冒口 5—平面外冷铁（厚度为80mm，石墨板） 6—圆根部位外冷铁（石墨板）

根据大型齿轮的结构特点，也可采用雨淋式顶注浇注系统。如图8-8所示船用大型齿轮的外径为φ1820mm，材质为HT250。轮缘部位设有铸齿砂芯3，共由8块组成整圆。中央轮毂壁厚90mm。为防止轴孔内表面上产生局部缩松缺陷，设置了外冷铁4，它由4块组成，彼此间留间隙量10mm，以防阻碍收缩。在轮毂上方设有环形顶冒口2。采用雨淋式顶注浇注系统1。内浇道均匀地分布于轮毂壁上，使铁液能较均匀地流向轮缘并充满铸型，有利于保证铸齿质量。并提高了冒口的补缩功能，防止轴孔部位产生缩孔、缩松等铸造缺陷，获得了良好的效果。

图8-8 船用大型齿轮

a）零件简图 b）铸造工艺简图

1—雨淋式顶注浇注系统 2—冒口 3—铸齿砂芯 4—外冷铁 5—轴孔砂芯

五、化学成分

化学成分和冷却速度是影响铸铁性能的重要因素。根据大型飞轮的主要技术要求及结构特性，为达到所需的力学性能，常将化学成分控制为：w（C）=3.0%～3.3%，w（Si）=1.10%～1.50%，w（Mn）=0.70%～1.10%，w（P）＜0.20%，w（S）＜0.12%。

厚壁大型飞轮的壁厚较大且相差悬殊，冷却速度缓慢。为提高本体的力学性能，还应加入少量合金元素。但要注意，各元素对铸铁石墨化能力的影响不但与各元素本身的含量有关，还与其他各元素发生的作用有关。各元素对基体的影响，主要体现在珠光体、铁素体的相对数量和珠光体弥散度的变化上。铜是促进石墨化作用较弱的元素，能使石墨和结晶组织细化，得到很致密的珠光体，从而可提高铸件的力学性能、硬度及耐磨性，还能提高各断面组织与性能的均匀性。故铜是大型飞轮的首选合金元素，其加入量为w（Cu）=0.6%～1.5%。

铬是强烈的阻碍石墨化元素，在共析转变时起稳定珠光体的作用。少量的铬能细化石墨，增加珠光体量，并促使其细化，因此能提高铸件强度和硬度。在厚壁大型飞轮中，可加入少量的铬，w（Cr）=0.20%～0.40%。

在选定合适的化学成分后，还须选择优质炉料及其合理组成配比。尤须进行有效的孕育处理，即要采取有效措施来获得最好的孕育效果和防止孕育衰退现象。从而促使铁液按稳定系共晶进行凝固，改善石墨形态、细化晶粒，提高结晶组织和性能的均匀性，降低对冷却速度的敏感性，更好地提高铸铁的力学性能。

工厂生产的大型飞轮的部分实际资料，包括化学成分及力学性能，见表8-1，供参考。

表8-1 大型飞轮的化学成分及力学性能

六、温度控制

1.适当提高铁液的过热程度

在一定温度范围内，适当提高铁液的过热温度及在高温下的停留时间，可以提高铁液的纯净度，并使石墨形态及基体组织细化，从而可提高铸铁的力学性能。但要注意，如果在较低温度下静置的时间过长，会使过热效果局部或全部消失。故在铁液过热后，应尽快进行后续工序的操作，以保持过热效果。铸铁的熔化温度一般控制在以下范围：电炉1500～1520℃，冲天炉1420～1480℃。

2.控制浇注温度

大型飞轮必须严格控制浇注温度，这对厚壁飞轮尤为重要。如果浇注温度过高，会使液态收缩量增加，容易出现缩凹、缩孔等缺陷，仅靠加大冒口等措施是难以奏效的。如果浇注温度过低，会使流动性大幅度降低，将不能获得清晰的铸齿轮廓，气体和夹杂物等也不易排出，容易产生皱皮、冷隔、浇不足、气孔及夹杂等缺陷。必须根据飞轮的结构特性，如直径大小、壁厚及复杂程度等，选定合适的浇注温度。浇注温度一般的控制范围为1290～1320℃。

七、冷铁的应用

适当加快飞轮局部肥厚或“热节”区域的冷却速度，是防止缩孔、缩松缺陷的有效措施。常设置外冷铁的主要部位如下。

1.蜗轮铣齿等重要肥厚部位

图8-9所示为大型柴油主机飞轮，其轮廓尺寸为φ2100mm×400mm（外径×总高），材质为HT250，毛重约6t，轮幅板厚度为95mm，轮缘厚度200mm。该飞轮采用底注式浇注系统，10道内浇道均匀地分布于轮缘内侧。为确保蜗轮铣齿部位的内部质量，防止产生局部缩松缺陷，特设置外冷铁7，共由24小块组成整圆。浇注温度为1310℃，浇注时间为65s，获得了良好的效果。

图8-9 大型柴油主机飞轮

a）零件简图 b）铸造工艺简图

1—直浇道（2×φ60mm） 2—横浇道（整圈，×65mm） 3—内浇道（10道，均布， 4—出气孔 5—侧冒口 6—顶冒口（4个） 7—外冷铁（共24块）

2.平衡铁上方

设有重型平衡铁的厚壁飞轮，不宜直接在平衡铁上方设置大直径顶冒口。因为这样更容易在冒口颈根部产生缩孔等缺陷。此时可采取设置外冷铁的方法（图8-7中的件5），并严格控制化学成分及浇注温度等，可有效地防止产生缩凹、缩孔等缺陷。

3.圆根部位

在厚壁飞轮上，重型平衡铁与轮辐板相连接的内圆根部位的散热条件较差，冷却缓慢，最后凝固时得不到充分的补缩，而铁液中析出的气体及砂型中的气体容易集聚在该部位，从而产生缩孔、缩松及气孔等缺陷。如果在圆根部位设置外冷铁（图8-7中件6），由于适当加快了该部位的冷却速度，可完全避免产生以上缺陷，获得了完好的铸件。