CA6140車床床身鑄件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)與鑄造工藝分析

樓江燕，樓華山

（1．廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州545006；2．柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545006）

CA6140車床床身鑄件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)與鑄造工藝分析

樓江燕1，樓華山2

（1．廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州545006；2．柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545006）

采用澆注工藝制備大尺寸鑄件車床CA6140床身坯料.為了提高床身鑄件的成品率，采用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)車床CA6140床身坯料的導(dǎo)軌進(jìn)行檢測(cè)．通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果分析，認(rèn)為澆注溫度不足以及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致床身導(dǎo)軌出現(xiàn)缺陷的原因，從而針對(duì)工藝的不足提出了改進(jìn)措施．

床身；鑄件；超聲波檢測(cè)；衰減；散射

0　引言

由于灰口鑄鐵具備較好的減振性、耐磨性、鍛造性及切削加工性特性;因此，CA6140車床床身坯料采用灰口鑄鐵HT300鑄造．對(duì)CA6140車床床身鑄件而言，鑄件不僅要滿足尺寸偏差、形狀偏差等外觀質(zhì)量要求；更重要的是鑄件內(nèi)部不能存在孔洞、裂紋、夾雜、偏析等缺陷，這些缺陷對(duì)車床的性能有很大影響．例如，導(dǎo)軌處的孔洞、裂紋直接導(dǎo)致床身報(bào)廢．檢測(cè)床身內(nèi)部缺陷的方法有超聲波檢測(cè)、X光射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等［1－2］．

由于超聲波穿透物體的能力強(qiáng)，同時(shí)超聲波檢測(cè)的靈敏度高，采用超聲探傷檢測(cè)床身不同部位（厚度存在變化）極其方便；而且，超聲波檢測(cè)具有好的方向性，能精確定位床身內(nèi)部的鑄造缺陷，僅需要少量耦合劑及電能就能開展檢測(cè)；因此，本課題采用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)CA6140車床床身鑄件進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)檢測(cè)的結(jié)果對(duì)CA6140車床床身鑄造工藝進(jìn)行評(píng)估．

1　超聲波檢測(cè)原理與床身鑄造工藝

1．1超聲波檢測(cè)原理

超聲檢測(cè)CA6140車床床身內(nèi)部的原理主要基于聲彈性理論：超聲波信號(hào)在床身構(gòu)件中傳播時(shí)，當(dāng)超聲波信號(hào)傳播到缺陷部位（孔洞、裂紋、夾雜、偏析等缺陷）后，由于該缺陷的存在，使得缺陷和床身本體材料之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的界面，在界面處，聲阻抗性質(zhì)發(fā)生變化，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到界面后，導(dǎo)致超聲波產(chǎn)生反射、透射及折射現(xiàn)象，且超聲波信號(hào)的能量出現(xiàn)衰減．反射回來(lái)的聲波被探頭接受后，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的某一位置會(huì)顯示出該反射波的波形，而該位置的高度反映了缺陷在床身中的深度．通過(guò)采集并分析反饋回來(lái)的超聲波信號(hào)特征，由回波的大小、位置等特征即可對(duì)床身中內(nèi)部狀況做出判斷．超聲波系統(tǒng)檢測(cè)床身的流程如圖1所示．由圖1可以看出，超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)接收處理裝置、發(fā)射探頭＆接收探頭、示波器以及信號(hào)采集計(jì)算機(jī)（示波器）組成．其中，超聲波發(fā)生器在工作過(guò)程產(chǎn)生5MH z頻率的脈沖超聲波信號(hào)；超聲波探頭負(fù)責(zé)將超聲波信號(hào)發(fā)射和接收（探頭發(fā)射端與接收端的位置固定，以確保超聲波在床身中的傳播距離相對(duì)穩(wěn)定）；示波器用來(lái)顯示超聲波在床身不同位置傳播的聲時(shí)差．整套系統(tǒng)借助于Lab View軟件的后臺(tái)控制實(shí)現(xiàn)超聲波聲時(shí)信號(hào)的自動(dòng)采集．

1.2床身鑄造工藝

CA6140車床床身鑄件采用“兩箱造型，平作平澆”的澆鑄工藝方案．圖2（a）展示了CA6140車床床身鑄件的分型面以及澆鑄位置．圖2（a）中的澆注位置設(shè)計(jì)在床身的側(cè)面，可以避免床身出現(xiàn)夾砂、氣孔、砂眼等缺陷，由于床身導(dǎo)軌區(qū)域壁厚尺寸較大，在側(cè)面設(shè)計(jì)澆注位置利于金屬熔液對(duì)床身進(jìn)行補(bǔ)縮．由于床身尺寸較大，金屬液的澆注時(shí)間、充型時(shí)間和凝固時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，澆注前砂型需要進(jìn)行預(yù)熱處理，澆注溫度設(shè)定為1 450℃．圖2（b）為CA6140車床床身鑄件澆注系統(tǒng)的示意圖．該澆注系統(tǒng)為沖入式．澆注系統(tǒng)頂部開設(shè)了內(nèi)澆道．該內(nèi)澆道可避免鑄件上部出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷．整體來(lái)看，床身鑄件澆注工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：砂型造型簡(jiǎn)單且易于制備，下芯、分型容易，砂型合模方便．依據(jù)該工藝制備的CA6140車床床身鑄件如圖3所示．

2　床身鑄件的檢測(cè)與分析

圖1　超聲波檢測(cè)床身內(nèi)部的流程圖Fig.1 Ultrasonic detection of the lathe-bed process diagram

圖2　床身鑄件Fig.2 As-cast lathe-bed

圖3　床身鑄件實(shí)物圖Fig.3 Image of the as-cast lathe bed

灰口鑄鐵HT300中含有碳化物、硫化物、氫化物等雜質(zhì)，且組織不均勻，晶粒較大；因此，采用灰口鑄鐵HT300澆注的床身有著較大的聲阻抗，阻礙了超聲波的傳播．為了使超聲波穿透床身鑄件．啟動(dòng)超聲波發(fā)生器，使之發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)傳至探頭發(fā)射端．在電信號(hào)的激勵(lì)下，探頭中的壓電晶片高頻振動(dòng)，并產(chǎn)生超聲波．檢測(cè)時(shí)，需要調(diào)整超聲波檢測(cè)參數(shù)設(shè)置，具體操作如下：AD信號(hào)增益設(shè)定為50，超聲波探頭頻率選定為5MHz，脈沖頻率設(shè)置為5MHz．為提高超聲波轉(zhuǎn)換效率，超聲波探頭與床身之間涂抹耦合劑，耦合劑為變壓器油．并在探頭上方放置壓塊，從而確保聲波的耦合效果與信號(hào)接受的效果一致．本研究使用鐵制標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣尺寸：102mm×76．5mm×25．5mm．超聲波穿過(guò)床身鑄件時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生雜波信號(hào)，當(dāng)雜波信號(hào)與床身導(dǎo)軌的缺陷波混在一起時(shí)難于區(qū)分缺陷波和雜波；而超聲波檢測(cè)儀的靈敏度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致床身導(dǎo)軌處的缺陷反射波不能顯示，造成漏檢．通過(guò)事先校對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的波形，確定適合的超聲波檢測(cè)儀靈敏度范圍，這樣不僅可減少雜波信號(hào)，而且不會(huì)造成漏檢．超聲波校對(duì)無(wú)缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試樣后，底端反射回波清晰可見，其幅度約為發(fā)射波的60％，在標(biāo)準(zhǔn)試樣的上表面反射回波與底端反射回波之間沒(méi)有雜波出現(xiàn)．

對(duì)CA6140床身鑄件導(dǎo)軌（圖2（a）中所示B側(cè)任意位置）的超聲波檢測(cè)結(jié)果如圖4所示．從結(jié)果中觀察到了2種超聲波信號(hào)．超聲探頭發(fā)射的是脈沖信號(hào)，超聲波檢測(cè)系統(tǒng)采集的反射信號(hào)也是脈沖信號(hào)．圖4中，超聲檢測(cè)儀顯示的回波信號(hào)分別是：上表面回波、底端回波．其中，上表面回波振幅最大，其次為底端回波，底面回波的振幅約為上表面回波振幅的60％．

超聲波在介質(zhì)的傳播過(guò)程中，自身能量會(huì)隨著距離增大而逐漸消耗，導(dǎo)致超聲波聲壓和超聲波聲強(qiáng)隨著傳播距離的增大而明顯變?。畧D4中，底端回波其振幅低于上表面回波反映出超聲波能量的衰減．上表面回波為發(fā)射的脈沖信號(hào)傳播到床身導(dǎo)軌和探頭相接觸的表面（即上表面處），該信號(hào)反射并被超聲波系統(tǒng)采集的超聲波信號(hào)；底端回波為超聲波傳播到床身導(dǎo)軌的另外一側(cè)的底面時(shí)，發(fā)生反射后被采集到的超聲波信號(hào)．

圖4床身導(dǎo)軌B處超聲波檢測(cè)的波形Fig．4 Ultrasonic detection of the position B on the guiding rail

圖4中，在上表面回波、底端回波之間沒(méi)有觀察到雜波．圖4的檢測(cè)結(jié)果表明：在CA6140床身鑄件導(dǎo)軌B側(cè)任意位置不存在缺陷．這是由于熔融的HT300金屬液進(jìn)入層內(nèi)澆道后，其溫度下降較小，能夠充分地除渣、排氣、補(bǔ)縮，從而保證了床身鑄件導(dǎo)軌的充型質(zhì)量．

圖5　床身導(dǎo)軌A處超聲波檢測(cè)的波形Fig.5 Ultrasonic detecting of the position A on the guiding rail

對(duì)CA6140床身鑄件導(dǎo)軌（圖2（a）中所示A位置）的超聲波檢測(cè)結(jié)果如圖5所示．從結(jié)果中觀察到了3種信號(hào)波：上表面回波、缺陷回波（存在傷損缺陷）、底端回波．其中，振幅最小的單峰波形較穩(wěn)定，從不同方向?qū)υ撐恢锰綔y(cè)，反射波大體相同；同時(shí)，還觀察到探頭的輕微振動(dòng)，會(huì)引起該波形消失，且當(dāng)探頭作定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，波形會(huì)出現(xiàn)此起彼落的現(xiàn)象；因此，判斷該波形為在發(fā)射波和底端反射波之間的缺陷回波．缺陷回波即傳播到床身導(dǎo)軌里面的缺陷處反射后的超聲波．由于不同的介質(zhì)性能存在差異，超聲波在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)，受到的聲阻抗也不同，當(dāng)超聲波在傳播過(guò)程中遇到不同介質(zhì)的界面，超聲波就會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，導(dǎo)致超聲波的能量降低［3］．圖5中，夾雜在上表面回波、底端反射回波之間的小振幅缺陷回波，就是一種散射波，它的存在表明超聲波在床身鑄件傳播時(shí)遇到了不同介質(zhì)的界面（裂紋、夾雜、夾渣等不同缺陷），產(chǎn)生散射，減小了超聲波的能量．床身在圖2（a）中A處存在缺陷，可能來(lái)源于兩個(gè)原因：

其一：冶金過(guò)程形成的非金屬夾雜物、夾渣、氣孔、縮孔、疏松、偏析等．HT300冶煉過(guò)程中，爐渣、保溫材料或耐火材料可能墜入熔融的HT300熔液中并形成塊狀的夾渣缺陷．氣體不能完全從HT300熔液逸出，形成孔洞;而當(dāng)HT300熔液冷卻時(shí)，隨著溫度的降低，床身不同澆注部位的HT300熔液體積產(chǎn)生收縮而沒(méi)有得到及時(shí)補(bǔ)充，也會(huì)形成孔洞［4］.

其二：床身鑄件后期熱處理產(chǎn)生的缺陷，如裂紋、白點(diǎn)、晶粒粗大等.CA6140床身鑄件尺寸較大，HT300熔液冷卻過(guò)程中，由于不同部位冷卻速率存在差異，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致裂紋出現(xiàn).大體積床身鑄件在凝固冷卻過(guò)程中，溫度降低的速率較慢，冷卻需要的時(shí)間較長(zhǎng)；因此，在床身鑄件內(nèi)部形成的晶粒容易“長(zhǎng)大”.當(dāng)“長(zhǎng)大”的晶粒直徑大于超聲波直徑時(shí)，使得超聲波信號(hào)被反射，不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè).另外，采用“兩箱造型，平作平澆”的澆鑄工藝，還會(huì)導(dǎo)致金屬液在A處形成流動(dòng)的死角，熔渣、碎砂、冷鐵水也容易集聚該部位［5-8］.

針對(duì)“兩箱造型，平作平澆”工藝的不足，本研究作了如下改進(jìn)：在A處重新開設(shè)過(guò)水澆口，過(guò)水澆口采用立式，其直徑設(shè)定為床身導(dǎo)軌壁厚的0.5～0.6；同時(shí)，在A處增加集渣槽的設(shè)計(jì).增設(shè)集渣槽目的是分離HT300熔液、熔渣以及碎砂，形成小熔池并收集冷鐵水.圖6為改進(jìn)工藝后床身A處的超聲波檢測(cè)結(jié)果.從圖6中可以看出在床身A處僅采集到了上表面回波和底端回波，沒(méi)有觀察到雜波，這表明隨著HT300熔液澆注入砂模，由于集渣槽的熔池作用，為HT300熔液提供了充分的能量，使得熔融的金屬液可以沿著導(dǎo)軌暢通流動(dòng)，并填充滿砂模，因而能保證床身A處的澆注質(zhì)量.

圖6　改進(jìn)工藝后床身導(dǎo)軌A處的超聲波檢測(cè)Fig．6 Ultrasonic detecting of the position A after using the im proved process

3　結(jié)論

本研究采用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)采用“兩箱造型，平作平澆”澆鑄工藝制備的CA6140車床床身鑄件導(dǎo)軌進(jìn)行了檢測(cè).檢測(cè)結(jié)果表明：

1）由于澆注溫度較低、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在不合理以及熱處理不當(dāng)，接近澆注系統(tǒng)側(cè)的床身導(dǎo)軌，其內(nèi)部存在缺陷，該缺陷可能是由冶金過(guò)程形成的非金屬夾雜物、夾渣、氣孔、縮孔、疏松、偏析或是床身鑄件后期熱處理產(chǎn)生的裂紋；

2）該工藝可以確保背離澆注系統(tǒng)側(cè)的床身導(dǎo)軌的質(zhì)量.

針對(duì)“兩箱造型，平作平澆”工藝的不足作了工藝改進(jìn)，改進(jìn)后能保證床身A處的澆注質(zhì)量.

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（學(xué)科編輯：黎婭）

Detection and analysis of internal defects in casting process of CA6140 lathe bed casting

LOU Jiang-yan1,LOU Hua-shan2
（1．School of Automobile Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006，China；2．Liuzhou Vocational ＆ Technical College，Liuzhou 545007，China）

Due to the non-uniformity of the thickness of the lathe structure,the cooling rate of the different parts is different when the traditional pouring process is used to prepare the CA6140 lathe structure.So the defects inside the lathe,such as,inclusion,shrinkage cavity and crack,are prone to form.These defects can cause the deterioration in the performance of the lathe structure.Especially,the defects in the lathe bed guiding rail can directly lead to the lathe bed to be rejected.In order to improve the yield of the as-cast lathe structure,the paper investigated the mechanism of the lathe structure defects by using the ultrasonic inspection.The results showed that the guiding rail defects were induced by the low pouring temperature and unreasonable design of gating system.When the improved process was used,the defects have been inhibited efficiently.

lathe structure;as-cast;ultrasonic detection;attenuation;scattering

TG157

A

2095-7335（2016）04-0050-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.04.010

2016－05－17

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2011GXNSFA018033）；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目（2014KFZD02）資助．

樓江燕，碩士，副教授，研究方向：車輛工程，E－mail：loujiangy＠21cn．com．