摘要：簡要介紹大型鑄鋼件的鑄造工藝設(shè)計(jì)的鑄件的工藝性分析、鑄造工藝方案選擇、鑄造工藝參數(shù)的選定、鑄件成形的控制、鑄件的熱處理技術(shù)、鑄造工藝裝備的設(shè)計(jì)、鑄件的后處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
前言
中國鋁業(yè)股份有限公司山東分公司恒成機(jī)械制造廠（以下簡稱恒成機(jī)械制造廠）。具有年產(chǎn)2萬噸機(jī)械制品的生產(chǎn)能力，專業(yè)生產(chǎn)冶煉、水泥、礦山、機(jī)床等行業(yè)設(shè)備和備件；產(chǎn)品有各式回轉(zhuǎn)窯、各式球磨機(jī)、各式冷卻機(jī)等設(shè)備；高錳鋼、抗磨高鉻鑄鐵、耐磨合金等耐磨件；以及大型鑄件、加工件，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于氧化鋁、電解鋁、冶金、化工、建材、有色金屬、礦山等行業(yè)。建有國家認(rèn)證的理化、計(jì)量檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，理化檢驗(yàn)手段先進(jìn)齊全。具有機(jī)械制品自營進(jìn)出口權(quán)。
近幾年有了較大發(fā)展，2005年，新建消失模一個(gè)白模車間，兩條生產(chǎn)線，產(chǎn)能6000噸/年，引入鑄造CAE軟件。2006年，中國鋁業(yè)股份有限公司注資數(shù)千萬元，新建三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、大型設(shè)備仿真模擬系統(tǒng)和一個(gè)大型加工中心。2007年，投資5000萬元，進(jìn)行鑄造車間的改造，改造廠房，更換起重設(shè)備，增加兩部100噸吊車，新建35噸精煉爐。加上原有的兩臺10噸爐，一臺30噸爐，可一次熔煉、澆注鋼水120噸，可生產(chǎn)毛重90噸的鑄件以及25噸以下的高性能優(yōu)質(zhì)鑄件（超低碳不銹鋼鑄件、優(yōu)質(zhì)鋼錠、優(yōu)質(zhì)船用鑄件、軋輥、優(yōu)質(zhì)機(jī)架）等產(chǎn)品。
2007年，恒成機(jī)械制造廠生產(chǎn)銷售鑄件13000噸，其中大型鑄件6000噸。
恒成機(jī)械制造廠的大型鑄件制造具備一定的競爭力，大型鑄件多為重大技術(shù)裝備的支撐件和承載件，對其性能及質(zhì)量要求嚴(yán)格，鑄件往往尺寸較大，形狀復(fù)雜，截面厚薄懸殊。大型鑄件的制造是一個(gè)系統(tǒng)工程，過程復(fù)雜，工序漫長，技術(shù)要求高。在制造過程中，鑄造工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)極其重要的部分，是大型鑄件的制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。
鑄造工藝設(shè)計(jì)就是根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)出一套既保證質(zhì)量，又可獲得較高經(jīng)濟(jì)效益的操作指導(dǎo)文件和質(zhì)量控制文件，并在執(zhí)行得到保證的前提下生產(chǎn)出了符合要求的產(chǎn)品。大型鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)工藝因素多，運(yùn)用的設(shè)計(jì)手段多，一些在小件中不顯眼的因素，在大件中有顯著的影響。大型鑄件批量較小，工藝試驗(yàn)和改進(jìn)困難，設(shè)計(jì)者要求有豐富的知識和經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)的過程和內(nèi)容主要有：鑄件的工藝性分析、鑄造工藝方案選擇、鑄造工藝參數(shù)的選定、鑄件成形的控制、鑄件的熱處理技術(shù)、鑄造工藝裝備的設(shè)計(jì)、鑄件的后處理技術(shù)等，是鑄造工藝設(shè)計(jì)的核心，通常意義上的鑄造工藝設(shè)計(jì)的涵義就是這部分。鑄造工藝設(shè)計(jì)是在總結(jié)和提高的基礎(chǔ)上編制的, 它是獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)鑄件的一項(xiàng)技術(shù)管理措施。
1 零件的工藝性研究
鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，首先要仔細(xì)地閱讀和研究鑄件的制造或采購技術(shù)條件、質(zhì)量要求。如探傷要求，表面質(zhì)量要求，機(jī)械性能要求，特殊熱處理要求等，其次，要研究零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如質(zhì)量要求高的表面或主要的加工面，主要的尺寸公差要求等，再次，研究材料化學(xué)成分，特別是鑄造合金中含碳量，合金元素含量作用和機(jī)理。這些對下一步的工藝設(shè)計(jì)有直接影響。需格外重視，做好零件的工藝性研究，能為工藝設(shè)計(jì)奠定良好的開端。
1.1 材料的工藝性分析
在大型鑄件的制造中，材料的物理性能和機(jī)械性能，對工藝參數(shù)的選定、澆冒口和冷鐵設(shè)置、熱處理技術(shù)、鑄件的后處理技術(shù)等都有重大影響。深入了解鑄造合金中含碳量，合金元素含量對鑄態(tài)組織形態(tài)的影響，對力學(xué)性能的影響，了解材料的凝固方式，收縮傾向，冒口補(bǔ)縮效果，了解材料的熱導(dǎo)率，熱應(yīng)力傾向等，對工藝設(shè)計(jì)有重要意義。
在砂型條件下，隨著合金中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)量增加，結(jié)晶溫度范圍擴(kuò)大。低碳鋼為逐層凝固方式，中碳鋼為中間凝固方式，高碳鋼為體積凝固方式凝固，但改變冷卻條件，可以改變結(jié)晶溫度范圍，從而改變合金的凝固方式。由于凝固方式的不同，窄結(jié)晶溫度范圍的合金，容易形成細(xì)小的晶粒組織，補(bǔ)縮性好，熱烈傾向小；反之，寬結(jié)晶溫度范圍的合金，容易形成粗大的晶粒組織，補(bǔ)縮性差，熱烈傾向大。因此，高碳鋼的厚大部位，要采取強(qiáng)制冷卻工藝縮小結(jié)晶溫度范圍，改善晶粒組織。合金中的碳、錳、鉻等元素的含量增加，可以提高強(qiáng)度，提高淬透性，卻降低導(dǎo)熱性，直接影響鑄件各部位冷卻、加熱的溫度差，因此，合金鋼較容易造成高的殘余應(yīng)力。工藝上要減少各部位澆注后冷卻、熱處理加熱的溫度差。合金在相變時(shí)，各種組織組成相的比體積不同，會產(chǎn)生相變應(yīng)力，其中，馬氏體的比體積最大，馬氏體相變最容易產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力。碳、錳、鉻等淬透性元素含量高的合金鋼，冷割冒口時(shí)極易產(chǎn)生裂紋，原因就是導(dǎo)熱性差熱應(yīng)力大，產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致相變應(yīng)力大，必須熱割冒口，
1.2 鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性分析
對于需要鑄造的零件，必須檢查它的結(jié)構(gòu)是否符合鑄造工藝的基本要求。因?yàn)橛袝r(shí)對鑄件的結(jié)構(gòu)，作很小的改動(dòng)，并不影響鑄件的使用性能, 但卻大大地簡化了鑄造工藝，有利于提高鑄件質(zhì)量。在鑄造生產(chǎn)中 , 對鑄件結(jié)構(gòu)的基本要求有以下幾點(diǎn)：鑄件的壁厚應(yīng)大于鑄件允許的最小壁厚，以免產(chǎn)生澆不足等缺陷。鑄件的尺寸越大，合金液充滿鑄型也就越困難 ,鑄件允許的最小壁厚也應(yīng)越大。鑄件的壁厚應(yīng)盡可能地均勻，否則鑄件容易產(chǎn)生縮孔和裂紋。壁厚相差懸殊 , 在厚的部分容易形成縮孔，在厚薄交接處 容易形成裂紋。盡量避免鑄件上部 ( 指鑄件在澆注位置 ) 有較大的水平面，最好帶有合理的斜度，以有利于氣體和熔渣等的排出，減少形成氣孔和渣眼的可能。鑄件的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證泥芯能牢固地安置在鑄型里。鑄件的結(jié)構(gòu)應(yīng)使造型時(shí)減少分型面和砂芯，簡化造型操作，有利于后處理。
2 工藝方案的確定
在選定鑄造工藝方案時(shí)，必須考慮鑄造車間的具體條件，如鑄造設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、生產(chǎn)能力，鑄件的結(jié)構(gòu)和尺寸、技術(shù)要求以及生產(chǎn)數(shù)量等。下面就鑄造工藝方案選擇的主要原則，進(jìn)行初步討論。
2.1 澆注位置的選擇
鑄件澆注位置的選擇, 對鑄件質(zhì)量、造型方法、砂箱尺寸、機(jī)械加工余量等都有著很大的影響。在選定澆注位置時(shí)應(yīng)以保證鑄件質(zhì)量為主，一般應(yīng)注意下面的幾個(gè)原則：應(yīng)將鑄件上質(zhì)量要求高的表面或主要的加工面，放在鑄型的下面?；蛘咧糜阼T型的側(cè)面或傾斜放置進(jìn)行澆注。應(yīng)把截面較厚的部分放在鑄型的上部或側(cè)面。這樣便于在鑄件的厚壁處放置冒口，造成良好的順序凝固，有利于鑄件補(bǔ)縮。薄壁部分放在鑄型的下部，或者置于鑄型的側(cè)面立著或傾斜著澆注，這樣有利于金屬的充填。對于具有大平面的鑄件，應(yīng)將鑄件的大平面放在鑄型的下面，這樣可使鑄件的大平面不容易產(chǎn)生夾砂等缺陷。對于帶有泥芯的鑄件，應(yīng)使泥芯能放置牢固并在合箱時(shí)便于檢驗(yàn)。長、寬、高三個(gè)方向高度方向尺寸應(yīng)最小，減少偏析和跑火機(jī)率，有利于補(bǔ)縮。
1.3鑄型分型、分模面的選擇
鑄型分型面、分模面選擇得正確，可以簡化造型操作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，使鑄件尺寸準(zhǔn)確 , 減少廢品等。在選擇時(shí)，一般應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：盡量把鑄件的大部分或全部放在同一鑄型內(nèi)，從而減少因錯(cuò)箱造成的尺寸偏差，還可使高度減低，便于合箱。應(yīng)使鑄件的加工面及加工基準(zhǔn)面，放在同一個(gè)鑄型內(nèi)。由于加工面與加工基準(zhǔn)面都處在同一個(gè)型內(nèi)，當(dāng)鑄件的加工面很多，又不可能都與基準(zhǔn)面放在分型面的同一側(cè)時(shí)，則應(yīng)盡量使加工的基準(zhǔn)面與大部分的加工面放在分型面同一側(cè)。從而減少因錯(cuò)箱造成的加工余量不夠。應(yīng)使鑄模容易從鑄型中取出，并盡量減少活塊模、高大的吊砂和彎曲的分型面等。盡量減少泥芯的數(shù)量。這樣可以省去制造和安放泥芯的工作，也可減少由此造成的誤差及產(chǎn)生的披縫，降低鑄件的制造成本。鑄件的不加工表面應(yīng)盡量避免有披縫，提高鑄件的外觀質(zhì)量。
3.工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)
鑄造生產(chǎn)的工藝方案決定以后 , 還應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品零件圖的形狀、尺寸和技術(shù)要求 , 選定好各種鑄造工藝參數(shù)。鑄造工藝參數(shù)是由金屬種類和鑄造方法等的特點(diǎn)決定的。其內(nèi)容主要包括鑄造收縮率、機(jī)械加工余量、拔模斜度、鑄造圓角和芯頭尺寸等，還有工藝補(bǔ)正量和分型負(fù)數(shù)等。選擇鑄造工藝參數(shù)時(shí)必須根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況，靈活運(yùn)用。
3.1鑄造收縮率
對于鑄鋼件在鑄型內(nèi)凝固和冷卻過程中收縮和變形規(guī)律的掌握，是保證獲得鑄件基本外形輪廓和尺寸精度的關(guān)鍵技術(shù)。影響鑄件收縮率的因素較多，主要的有：鑄型的退讓性，鑄件的材料，鑄件的結(jié)構(gòu)。鑄型的退讓性好，鑄件的收縮率增大。隨著鑄件的尺寸增大，鑄型的退讓性變差，鑄件的收縮率也就減小。鑄件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，收縮困難，鑄件的收縮率減小。鑄件的材料的不同，收縮率不同。同一成分澆注的鑄鋼件，因結(jié)構(gòu)形狀不同，收縮率不同，同一個(gè)鑄件，由于結(jié)構(gòu)上的原因，其軸向與徑向或長、寬、高三個(gè)方向的收縮率可能不一致。對于尺寸要求較精確的鑄件，各個(gè)方向應(yīng)給以不同的收縮率。其中以自由收縮時(shí)的收縮率最大。所以鑄造收縮率要結(jié)合實(shí)際情況來選擇。
在實(shí)際生產(chǎn)中，一般的鑄件，特別是尺寸不大的鑄件，各個(gè)方向都用同一的收縮率，盡管這樣會造成一些誤差，但由于誤差一般不大，而這樣大大便于鑄模的加工制造。
3.2 機(jī)械加工余量
加工余量是參照機(jī)械加工余量表和結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況而確定的。加工余量應(yīng)當(dāng)合理地選定。加工余量過大，不僅浪費(fèi)金屬，增加機(jī)械加工工作量 , 有時(shí)還會因截面變厚，熱節(jié)變大，使鑄件晶粒粗大, 甚至造成縮孔或縮松。加工余量過小，不能把鑄件的 加工表面全部切凈，使零件達(dá)不到要求的精度和光潔度。
加工余量的大小與鑄造金屬的種類、生產(chǎn)條件以及鑄件尺寸和加工面部位等有關(guān)。鑄件的尺寸大，變形往往也大，加工余量需要大一些，鑄件上面 ( 指澆注時(shí)位置 ) 與底面和側(cè)面相比，表面質(zhì)量較差，加工余量也需要大一些。小的孔槽一般不宜鑄出。否則，不但使造型工藝復(fù)雜，而且會因孔槽的偏斜 , 給機(jī)械加工帶來困難。
3.3 拔模斜度
拔模斜度取法有三種：增加壁厚法、加減壁厚法、減少壁厚法。拔模斜度選取時(shí)不應(yīng)超出鑄件的壁厚公差要求。由于大件的起模往往需要借助機(jī)械裝置，設(shè)置不當(dāng)時(shí)，過小容易損壞工裝或型芯，過大影響鑄件形狀結(jié)構(gòu)或加工余量。為了方便芯盒起模, 要把鑄模的垂直壁做成向起模面擴(kuò)大的斜度，需要與配合的型芯一致，拔模斜度過大最好做成劈模，避免過大的拔模斜度。鑄件要加工的側(cè)面，一般按增加鑄件壁厚的方法確定。鑄模在起模方向如已有足夠的結(jié)構(gòu)斜度，便不再加拔模斜度。金屬模的拔模斜度可比木模稍小些。
3.4 鑄造圓角
鑄造圓角是不可忽視的工藝因素，因尖角砂在澆注時(shí)容易造成沖砂、砂眼和粘砂等缺陷，而且轉(zhuǎn)角沒有圓角過渡的鑄件會因容易產(chǎn)生較大的鑄造應(yīng)力而裂開。沒有圓角過渡的鑄件的強(qiáng)度也較低，因尖銳的棱角部分在結(jié)晶時(shí)會形成強(qiáng)度較低的薄弱面，因這時(shí)薄弱面是垂直于受力方向的，當(dāng)鑄件受力時(shí)，很容易從薄弱面處裂斷。鑄件如果做有圓角，就改善了這種情況。
3.5 工藝補(bǔ)正量
工藝補(bǔ)正量是用于補(bǔ)正由于鑄造收縮率選用不當(dāng)或其它工藝原因造成鑄件局部尺寸的偏差。 大型鑄件的工藝補(bǔ)正量有時(shí)非常重要，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，影響因素多，形狀和尺寸變化很難把握，補(bǔ)正量的選取往往起到糾正挽救的特殊效果。其設(shè)置經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)，需要長期摸索和積累。
3.6 分型負(fù)數(shù)
由于修型和烘干過程中砂型的變形，引起分型面不能嚴(yán)密貼合 , 為了防止?jié)沧r(shí)產(chǎn)生跑火，合箱時(shí)需在分型面上放上耐火泥條或石棉繩，這樣就增加了型膛的高度。為了使鑄件尺寸 符合要求 , 在鑄模上需減去相應(yīng)的高度，這個(gè)減去的尺寸稱為分型負(fù)數(shù)。分型負(fù)數(shù)隨砂型尺寸增大而增加，其值約為 l-5 毫米。要使鑄件的形狀和尺寸符合要求，除了要正確設(shè)計(jì)上述的鑄造工藝參數(shù)外，還需要有嚴(yán)格的工藝操作規(guī)程來保證。例如，砂型緊實(shí)度要符合要求，木模要干燥，起模時(shí)松模不能過大，修型時(shí)不能過分光壓，合箱時(shí)放入的泥條不要過高等，而鑄模的磨損，涂料上得過厚，砂型和泥芯受熱膨脹等都會使鑄件尺寸變小，鑄模的變形和結(jié)構(gòu)松動(dòng)，也會影響鑄件的形狀和尺寸。
上面就一些主要鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行討論。在選定工藝參數(shù)時(shí)要注意下面兩點(diǎn)：（1）影響鑄造工藝參數(shù)的因素很多，一定要結(jié)合實(shí)際來選定，并作必要的修正。（2）各個(gè)鑄造工藝參數(shù)之間是有聯(lián)系的，要綜合考慮，相互配合，不斷修正，例如，鑄件收縮量的誤差，可用機(jī)械加工余量來補(bǔ)償。
工藝參數(shù)確定以后，要精確計(jì)算鑄件的澆注重量，澆注重量對下一步的工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作有重大影響，是澆、冒口設(shè)計(jì)，熔煉、澆注的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最好采用三維軟件進(jìn)行計(jì)算。
4 鑄件成形的控制
主要包括澆、冒系統(tǒng)，冷鐵設(shè)計(jì)?？刂瞥湫瓦^程和凝固過程，在鑄造生產(chǎn)過程中起著重要的作用。許多的鑄造缺陷都與上述兩個(gè)過程直接相關(guān)，如縮松、縮孔、卷氣、冷隔、夾渣等。是鑄造工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。
4.1 液態(tài)金屬充型過程控制
液態(tài)金屬充型過程控制將影響澆注的成敗和鑄件質(zhì)量，大型鑄件的澆注工藝應(yīng)滿足大流量、快速平穩(wěn)充型的基本要求。大型鑄件的澆注多采用多包多澆道同時(shí)澆注，充型過程控制的關(guān)鍵是：（1）嚴(yán)格控制鋼液的澆注溫度和補(bǔ)澆鋼液的溫度，（2）協(xié)調(diào)好各包、各澆口的開啟步調(diào)時(shí)間和順序，（3）嚴(yán)格控制澆注時(shí)間，（4）要設(shè)置防止殘砂、鋼渣、引流砂進(jìn)入型腔的措施，如防砂帽、溢流口、緩流澆道等。
4.2 鑄件的結(jié)晶、凝固與收縮控制
對于大型鑄鋼件，保證鑄件凝固順序和補(bǔ)縮效率，這是控制鑄造缺陷，獲得優(yōu)質(zhì)大型鑄鋼件的重要條件。需要合理設(shè)置冒口的尺寸、數(shù)量、位置，考慮到充分補(bǔ)縮的要求，通常需要設(shè)置足夠的冒口補(bǔ)貼，并配合適當(dāng)?shù)膾焐袄滂F，掛砂冷鐵設(shè)計(jì)時(shí)，冷鐵布置、掛砂層厚度、掛砂層附著強(qiáng)度等工藝因素對控制凝固順序，防止缺陷均有重大影響。為提高冒口補(bǔ)縮效果，除盡量采用保溫、發(fā)熱冒口，高校發(fā)熱覆蓋劑外，還需要補(bǔ)澆冒口。對大型鑄鋼件而言，冒口補(bǔ)澆工藝一方面可以提高冒口補(bǔ)縮效率，另一方面可以解決熔煉能力不足而采用的多爐、多階段澆注的問題。多爐、多階段澆注工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮各爐鋼水的出爐時(shí)機(jī)，控制各爐鋼水的出爐溫度和化學(xué)成分，控制各階段、各澆包開啟時(shí)間，控制澆注溫度和澆注時(shí)間。補(bǔ)澆冒口的鋼水的熔煉要求視前階段冒口高度而定，但要滿足快速高溫的要求。
4.3 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)
要獲得優(yōu)質(zhì)鑄件，必須控制鑄件的凝固過程。鑄件凝固是在鑄型內(nèi)的高溫狀態(tài)下進(jìn)行的，難以直接觀察。長期以來，主要憑經(jīng)驗(yàn)或以實(shí)測資料為依據(jù)進(jìn)行控制鑄件的凝固過程的工藝設(shè)計(jì)。大型鑄件凝固過程的溫度場難以實(shí)測，而且實(shí)際生產(chǎn)條件也不允許通過實(shí)驗(yàn)得出鑄件的合理工藝方案后才進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和正式生產(chǎn)。因此，通常作法主要是憑經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)鑄件的生產(chǎn)。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)過程的數(shù)值模擬技術(shù)已應(yīng)用于鑄造過程并取得了成功，具有代表性的工作是基于凝固過程數(shù)值模擬的縮松、縮孔預(yù)測和冒口優(yōu)化。計(jì)算機(jī)模擬凝固過程，可以幫助工程技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬計(jì)算。通過模擬計(jì)算，可在實(shí)際鑄造前對鑄件可能出現(xiàn)的縮孔縮松缺陷及大小、部位和發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行有效的預(yù)測。以不斷改進(jìn)工藝，有效控制凝固過程，達(dá)到縮短產(chǎn)品試制周期，降低生產(chǎn)成本，確保鑄件質(zhì)量的目的，使鑄造生產(chǎn)由憑經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)理論指導(dǎo)。
鑄件充型過程的數(shù)值模擬近年來在模型建立、算法實(shí)現(xiàn)、計(jì)算效率的提高和工程實(shí)用化方面取得了一些重要突破，并重點(diǎn)研究了充型流動(dòng)對凝固進(jìn)程的影響。建立了鑄件充型和凝固過程的流動(dòng)和傳熱模型，實(shí)現(xiàn)了流速場和溫度場的耦合模擬，預(yù)示著已經(jīng)可能利用數(shù)值模擬的方法對復(fù)雜鑄件充型過程進(jìn)行數(shù)值仿真。
5 鑄造工藝裝備的設(shè)計(jì)
鑄件生產(chǎn)所使用工藝裝備的設(shè)計(jì)。工藝裝備包括模樣、模板、芯、盒、砂箱、 量具、夾具、樣板等。大型鑄件一般生產(chǎn)批量小，形狀差異大，工裝通用性較差，許多工裝需要綜合考慮、專門設(shè)計(jì)，如芯鐵、冷鐵等。冷鐵設(shè)計(jì)通常還要專門設(shè)計(jì)掛砂工藝及要求。
6 預(yù)備熱處理技術(shù)
大型鑄件在澆注冷卻過程中，鑄件壁厚相差懸殊的不同部位，壁厚尺寸大的同一部位的表面及心部，冷卻過程溫差很大，會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，尺寸大，形狀復(fù)雜的鑄件不同部位冷卻速度不同，收縮的時(shí)間不同，相互之間產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，型、芯復(fù)雜，型、芯對鑄件的收縮有較強(qiáng)的阻礙，也造成很大的機(jī)械應(yīng)力，這樣，鑄件完全冷卻后不可避免的在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生較大的鑄造殘余應(yīng)力。高碳鋼、合金鋼中的碳、錳、鉻等元素的含量增加，可以提高強(qiáng)度，卻降低導(dǎo)熱性，加大鑄件各部位冷卻的溫度差，因此，高碳鋼、合金鋼中的鑄造殘余應(yīng)力更大。
另外，大型鑄件截面厚大，冷卻時(shí)速度較慢，通常鑄態(tài)組織晶粒粗大，偏析嚴(yán)重，極大影響力學(xué)性能，為了保證后續(xù)的后處理，滿足設(shè)計(jì)要求，一般鑄件都需在澆注冷卻后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，通常稱為預(yù)備熱處理，預(yù)備熱處理的目的：一是消除或減少鑄造應(yīng)力，二是改善組織，獲得足夠的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、塑韌性等。一般的預(yù)備熱處理規(guī)范有：退火、正火、正火+回火等。
預(yù)備熱處理的關(guān)鍵技術(shù)是裝爐時(shí)機(jī)和升溫速度，大型鑄件因?yàn)楣て诘囊?，往往不能等到冷卻到常溫再打箱，造成打箱后較高溫度情況下快速冷卻，使鑄件應(yīng)力增高，需要及時(shí)裝爐進(jìn)行熱處理；裝爐后升溫要適宜，此時(shí)的升溫類似鑄件的冷卻，不同部位，同一部位的表面及心部，存在溫差和膨脹的差異，從而，形成新的應(yīng)力，這種新的應(yīng)力稱為熱處理應(yīng)力，這種熱處理應(yīng)力與原有鑄造應(yīng)力相互作用、相互影響，極為危險(xiǎn)，使鑄件發(fā)生變形、開裂的機(jī)率大為增加，不能升溫過快，但從快速生產(chǎn)和節(jié)約能源的角度要求，不能升溫過慢，需要設(shè)計(jì)適宜的升溫速度。熱處理的技術(shù)也是極為復(fù)雜和精確的，也需要長期的經(jīng)驗(yàn)積累和豐富的理論知識。
7 后處理技術(shù)
鑄件在型內(nèi)應(yīng)有足夠的冷卻時(shí)間，防止產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷，為防止產(chǎn)生過大的鑄造應(yīng)力，可在澆注后，鑄件凝固基本凝固完成時(shí)，松弛型、芯，使鑄件最大限度地自由收縮。
冒口切割是鑄件后處理的最重要的環(huán)節(jié)，絕不能忽視。冒口根部在工藝熱節(jié)和流通效應(yīng)的影響下，是整個(gè)鑄件組織最差、熱應(yīng)力最大的部位。在進(jìn)行常溫氣割冒口時(shí)，由于割口處溫度較高，與周圍溫差較大，產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力，加上本身又存在較大的殘余應(yīng)力，當(dāng)兩種應(yīng)力的方向正好相同時(shí)，應(yīng)力便會疊加，應(yīng)力得到進(jìn)一步加強(qiáng)，如果應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限，則產(chǎn)生裂紋。絕大多數(shù)的鑄件采用熱割冒口的工藝，熱割冒口可預(yù)防裂紋。尤其高碳鋼、合金鋼中的碳、錳、鉻等元素的含量高，導(dǎo)熱性差，淬透性高，進(jìn)行常溫氣割冒口時(shí)，熱應(yīng)力更大，并且很容易發(fā)生相變，如果相變則會產(chǎn)生相變應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)更高，必須采用熱割冒口的工藝。熱割冒口可在鑄態(tài)冷卻過程中進(jìn)行，到一定溫度時(shí)（400℃以上，避免彈塑性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間400℃～600℃），迅速清理冒口部位進(jìn)行切割，切割后繼續(xù)冷卻，直至打箱清理，再熱處理，這種工藝的好處是可以降低能耗，縮短工期，壞處是產(chǎn)生缺陷的風(fēng)險(xiǎn)大。大型件價(jià)值很高，應(yīng)盡量控制風(fēng)險(xiǎn)，最好采取在退火后進(jìn)行熱割冒口的工藝。無論何種工藝都應(yīng)特別注意熱割溫度和割后的保溫緩冷。
結(jié)語
大型鑄件的工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過程，需要設(shè)計(jì)人員具備深厚的理論知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)過程中要考慮工藝因素較多，這些因素不是獨(dú)立的，往往相互作用、相互影響，因此，在設(shè)計(jì)之初，就要通盤考慮，全面籌劃，不能顧此失彼。
大型鑄件的工藝設(shè)計(jì)不可能面面俱到，要有主有次，以鑄件制造的難點(diǎn)、重點(diǎn)為基礎(chǔ)，制定合理的工藝方案，各個(gè)工藝因素相互配合、相互補(bǔ)充。
大型鑄件多為重大技術(shù)裝備的重要零件，對其性能及質(zhì)量要求嚴(yán)格，大型鑄件批量較小，生產(chǎn)過程復(fù)雜，工期漫長，價(jià)值很高，工藝試驗(yàn)和改進(jìn)困難，一些在小件中不顯眼的因素，在大件中有顯著的影響。設(shè)計(jì)時(shí)以穩(wěn)妥慎重為原則，在沒有充分依據(jù)和保證的前提下，宜采取保險(xiǎn)的工藝方案。
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