履带式车辆的行动牵引力是由履带柔性链环传导动力与地面接触形成。主动轮是履带式车辆动力推进装置重要组成部分，主要由齿圈、轮毂及固定和连接件等组成。轮毂承担着动力输出的交变应力和冲击应力，如果该零件发生质量问题，将直接导致履带式车辆行动系统失效。因此，对轮毂内部质量及使用性能的要求非常高。

轮毂产品是复杂薄壁、不规则筒状铸件，重量165 kg，轮廓尺寸为ϕ 469 mm×428 mm，壁厚17～55 mm，如图1所示。轮毂材质为铸造低合金结构钢ZG32MnMo，化学成分如表1所示。力学性能指标要求见表2所示。

铸件装配前需进行油压密封检测，油液压力1.3~1.5 MPa、在高速旋转的工作状态下保压15 min，再采用表面着色探伤检测轮毂封闭空间的外部表面是否存在渗油。

熔炼采用双联法熔炼工艺，为25 t偏心底电弧炉和20 t LF精炼炉，浇注温度为1 560~1 580 ℃。采用酯硬化水玻璃砂自动化生产线，每型2件，浇注时间25~35 s。

图1 铸件简图

表1 ZG32MnMo化学成分（质量分数，%）

表2 力学性能

轮毂内部热节多而分散，轮毂下方主要集中了两处较大热节，形成了缩孔、缩松缺陷，如图2所示，引起的不良品废品率达12.6%，造成较大损失。

（a）导链限位盘焊装处缺陷位置

（b）解剖示意图

（c）缺陷示意图

图2 轮毂热节引起的缺陷分布

在铸钢件的生产中，缩孔、缩松、气孔及夹杂缺陷需要综合考虑铸钢件的结构因素来判断形成原因。一般来说，缩孔、缩松缺陷在铸钢件上产生的部位是最后凝固的地方，而最后凝固主要有以下两种情况：

（1）在铸钢件断面突增或铸件几何热节的部位。因为这些地方钢液的散热最慢，最后凝固而形成缺陷。

（2）并非是铸钢件的几何热节，而是因为钢液长时间流经某处，使该处过热，也会产生缩孔、缩松缺陷，通常称之为物理热节。

当钢液进入铸件型腔后，靠近型壁的钢液散热快，冷却速度快，而后向铸件中心逐次凝固。铸钢件在冷却凝固的过程中，一般液态收缩时可以得到浇包中液态金属的补缩，这个阶段的收缩对铸件质量影响不大。固态收缩对形成缩孔缩松缺陷的影响也不大，但如果在凝固收缩时得不到补缩，就会在铸钢件最后凝固的部位（如温度最高的中心处）形成细小或分散的孔洞，即缩孔、缩松缺陷。

采用ProCAST模拟仿真软件对轮毂的铸造工艺进行模拟。ProCAST模拟仿真软件在铸件凝固过程的数值计算中，温度场和固相率的计算为后续铸造缺陷预测奠定了基础，在宏观缩孔缩松缺陷的预测上大多采用Niyama判据。

3.1 原铸造工艺模拟

根据轮毂温度场模拟结果，可在可视化模拟结果中直接观察轮毂温度梯度变化规律。钢液凝固后期温度最高的部位，将是产生缩孔缩松缺陷几率最大的部位，如图3所示。

（a）固相率93%时整体温度变化

（b）固相率100%时整体温度变化

图3 温度场模拟结果

从温度场中的铸件凝固时温度梯度变化可以看出，在拉筋根部下方的部位是凝固后期温度最高的地方，易产生缩孔、缩松缺陷。同时，从流场的模拟结果看到，钢液在浇注充型过程中，充型平稳，未发生浇注紊流现象。

通过可视化模拟结果中的缩孔、缩松缺陷预测判断，清晰的反映出轮毂中铸造缺陷的整体分布情况，可视化模拟显示结果如图4所示。根据可视化模拟结果预测显示，轮毂拉筋根部产生缩孔、缩松缺陷几率较大，并且缩孔、缩松缺陷的尺寸较大。

（a）XY方向缩孔缩松缺陷分布

（b）YZ方向缩孔缩松缺陷分布

图4 缩孔缩松缺陷模拟结果

3.2 铸造工艺优化

根据铸造工艺（加浇冒口系统）模拟结果，对原工艺进行优化，具体措施如下：

（1）打压渗漏区域增加冷铁

冷铁材料选用普通碳素钢，同时放置锆砂增加激冷作用。冷铁与锆砂的激冷能力如表3所示。

表3 冷铁与锆砂激冷能力对比

在轮毂内腔NO.3芯放置的锆砂厚度为25 mm，在轮毂NO.1芯处均布增加14块65 mm×500 mm冷铁，如图5所示。

（2） 拉筋根部增加冷铁

由于拉筋根部厚度较大，为了减小该部位热节，并使热节顺利进入中间齿部上方的冒口内，在每处拉筋根部，将原45 mm×30 mm×20 mm的冷铁由1块增加到2块，5处拉筋共计为10块外冷铁，如图5所示。

图5 冷铁与锆砂层位置示意图

（3）改用发热保温冒口

型砂普通冒口的补缩效率较低，型砂冒口内金属液缩孔缩松体积仅占整个冒口体积的5%～15%，除去自身冷却导致的收缩，真正用于补缩铸件的金属液仅占到整个冒口体积的2%～10%。

发热保温冒口在保温冒口的基础上增加了发热效果，金属液注入冒口后，冒口的发热材料在高温下先进行5～10 min的氧化还原反应，并放出大量的热量，反应完全结束后，发热保温冒口的保温作用能保证金属液在25～30 min内不凝固。在这两种作用的叠加下，发热保温冒口内的金属液较铸件本体的金属液延迟凝固30～40 min，在铸件体积收缩时，局部厚大热节按照顺序凝固原则可以得到发热保温冒口内钢液及时的补充，保证了铸件的致密性。发热保温冒口的补缩效率可达30%～60% 。

为了保证拉筋根部与齿部形成的较大热节不形成缩孔缩松缺陷，将普通型砂冒口更换为发热保温冒口，中间齿部上方尺寸为ϕ80 mm×110 mm冒口5个，外部法兰面上方尺寸为ϕ 90 mm×120 mm冒口5个，共计10个，如图6所示。

图6 发热保温冒口位置示意图

3.3 优化后的铸造工艺模拟

（a）固相率93%时整体温度变化

（b）固相率97%时重要断面温度变化

图7 温度场模拟结果

优化后的工艺模拟结果中的缩孔缩松缺陷缺陷的整体分布转移到了发热保温冒口内部，轮毂铸件内部致密，导链限位盘焊装处无缩孔、缩松缺陷如图8。

（a）XY方向缩孔无缺陷

（b）YZ方向重点部位无缺陷

（c）YZ方向拉筋根部无缺陷

图8 缩孔缩松缺陷模拟结果

按照优化的工艺方案，在导链限位盘焊装处和拉筋根部增加冷铁，改用发热保温冒口小批试制后，随机挑选1件轮毂进行剖切验证，剖切面组织致密，未发现铸造缺陷，如图9所示。

（a）原渗漏区域解剖图

（b）齿部与轮辐筋板交接部位解剖图

图9 铸件解剖示意图

按照该工艺对轮毂铸钢件批量化生产，后续共计生产182件，加工后未发现铸造缺陷，产品100%合格。

（1）通过使用ProCAST软件对轮毂铸造工艺进行模拟，分析预测出轮毂铸造缺陷主要集中在导链限位盘焊装处和拉筋根部。

（2）根据模拟结果，优化了铸造工艺，在导链限位盘焊装处和拉筋根部增加冷铁，改用发热保温冒口。

（3）按照改进后的工艺进行生产验证，经过解剖，铸件内部无缩孔、缩松缺陷。