裝載機(jī)油缸缸頭鑄鋼件消失模鑄造工藝的研發(fā)

郭躍廣，劉洪美，鄭華昌，劉 波，曾冬珍，陳志敏

（龍工（福建）鑄鍛有限公司，福建龍巖 364000）

油缸是組成裝載機(jī)鏟斗升降和翻轉(zhuǎn)動(dòng)作的重要精密高壓液壓元件，而缸頭是組成油缸的重要零件（見(jiàn)圖1），頂升的高壓油通過(guò)缸頭傳至油缸，油缸產(chǎn)生的機(jī)械力作用于缸頭。對(duì)缸頭的技術(shù)要求是不允許產(chǎn)生縮孔、氣孔、砂眼、夾渣等任何缺陷，在20M Pa高壓油下不滲漏，材質(zhì)Z G270-500.國(guó)內(nèi)就工程機(jī)械鑄件生產(chǎn)行業(yè)來(lái)說(shuō)，缸頭鑄鋼件的生產(chǎn)工藝落后，設(shè)備簡(jiǎn)陋，控制手段差。大多采用傳統(tǒng)的水玻璃砂鑄造，鑄件外觀差，粘砂嚴(yán)重，尺寸精度低，導(dǎo)致油缸缸頭質(zhì)量無(wú)法得到保證。為解決缸頭外觀質(zhì)量差、尺寸精度低等問(wèn)題，開(kāi)展研發(fā)裝載機(jī)油缸缸頭鑄鋼件消失模鑄造工藝。

圖1 裝載機(jī)油缸部件中的缸頭

1 鑄鋼件泡沫珠粒的選用

在消失模鑄鋼生產(chǎn)中選擇適合的珠粒至關(guān)重要，適用于消失模生產(chǎn)模樣的珠粒主要有兩種：EPS（聚苯乙烯）、ST MM A（聚苯乙烯甲基丙烯酸甲酯）。EPS含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%的碳，容易在鑄件表面形成碳渣缺陷和對(duì)鑄鋼件表面增碳，使鑄件的加工量變大，特別是鑄鋼件表面增碳硬度提高，使鑄件加工性能和焊接性能惡化[1]。EPS模樣對(duì)鋼表面增碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.35%～0.5%.而ST MM A模樣對(duì)鑄鋼件表面增碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般≤0.1%，極大減少了鑄鋼件的表面增碳缺陷，保持鑄鋼件的原有加工性。因而鑄鋼件采用消失模鑄造，為防止鑄鋼件表面增碳，選用ST MM A共聚珠粒材料。

2 預(yù)發(fā)泡、模樣成型各種參數(shù)的調(diào)整

珠粒預(yù)發(fā)泡密度是整個(gè)模樣制作的重要工藝參數(shù)，既為了保證模樣有足夠的強(qiáng)度和剛度，減少變形，又為了減少后續(xù)澆注的碳渣及增碳缺陷，珠粒預(yù)發(fā)泡密度需嚴(yán)格控制。鑄鋼件模樣成型珠粒預(yù)發(fā)密度控制在（18±0.5）g/L，預(yù)發(fā)泡溫度96℃～105℃，預(yù)發(fā)泡時(shí)間70 s～75 s（用德國(guó)圖伯特預(yù)發(fā)泡機(jī)）。

消失模鑄造的特點(diǎn)決定了模樣的表面質(zhì)量事關(guān)后續(xù)鑄件表面質(zhì)量。為得到光滑、融合良好的模樣表面，成型時(shí)采用高壓力成型并保壓定型（壓力控制在 0.8 bar～0.9 bar，時(shí)間 25 s～30 s），保證模樣表面光滑及內(nèi)部融合良好[2]，以減少模樣的揮發(fā)份含量，減低對(duì)后續(xù)澆注質(zhì)量的影響，減少相關(guān)的鑄造缺陷。

3 缸頭鑄件結(jié)構(gòu)分析和冒口位置分析及設(shè)計(jì)

3.1 缸頭鑄件結(jié)構(gòu)分析

圖2為缸頭的鑄件結(jié)構(gòu)三維圖，其中油道由機(jī)加工鉆出。

圖2 缸頭結(jié)構(gòu)三維圖及主要部位

從圖2可以看出鑄件結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。鑄件完成機(jī)加工后，帶凹槽的缸頭止口套入缸套，外圓焊接坡口面與缸套形成焊接坡口，再整圈滿焊，就制作成油缸的缸頭部分。軸承孔安裝軸承碗和銷(xiāo)軸后，形成鉸鏈?zhǔn)芰χc(diǎn)。油口面及油道構(gòu)成高壓油通道。

3.2 冒口位置分析及設(shè)定

為便于冒口位置分析，對(duì)缸頭鑄件的幾個(gè)位置面進(jìn)行標(biāo)注，如圖3所示。

圖3 缸頭鑄件的位置面標(biāo)注

1）若在1—帶凹槽位置面上放冒口，先要把凹槽填平，再放置冒口，可以近距離補(bǔ)縮和有很好的補(bǔ)縮通道。但重要問(wèn)題是要在機(jī)加工時(shí)銑出凹槽，加工量很大，機(jī)加工車(chē)間不會(huì)同意，不可?。ㄒ?jiàn)過(guò)凹槽填平放冒口鑄件，有廠家用該方法）。

2）若在2—軸孔外圓頂部位置面上放冒口，顯然補(bǔ)縮距離較遠(yuǎn)，通道較小，補(bǔ)縮困難；頂部近似球形，冒口不好氣割修磨，不可取。

3）若在3—油口面位置面上放冒口，對(duì)厚大部位的補(bǔ)縮距離很近，但冒口頸偏小，需要增加貼補(bǔ)，不能保證該部位的結(jié)構(gòu)形狀；油口面屬耐壓部位，放頂部易存夾渣，不可取。

4）若在4—油口面位置面的對(duì)面放冒口，對(duì)厚大部位的補(bǔ)縮距離近，冒口頸增加貼補(bǔ)到7位置面時(shí)，可以做大。是一個(gè)比較可行的方案，但增加冒口的氣割和修磨量。

5）若在5或6—厚大部位位置面放冒口，補(bǔ)縮距離很近，但位置太小，冒口根部還帶圓臺(tái)，無(wú)法氣割和修磨，不可操作，不可取。

6）若只在7位置面，即焊接面外圓頂部放冒口，補(bǔ)縮通道不夠，不可取。

綜合以上6點(diǎn)分析，只能用第（4）條，即在油口面位置面的對(duì)面放冒口，補(bǔ)縮效果會(huì)好，但氣割和修磨量大。圖4為鑄件剖面后的厚大部位，圖5為帶澆冒口的鑄件。

圖4 鑄件剖面后的厚大部位

圖5 帶澆冒口的鑄件

3.3 缸頭補(bǔ)縮冒口的設(shè)計(jì)

消失模鑄造本身的特點(diǎn)：

1）泡沫塑料模樣材料是一種不透氣的材料，在澆注過(guò)程中冒口最后接觸金屬液，型腔內(nèi)的氣體無(wú)法象明冒口一樣可通過(guò)冒口排除。

2）金屬液澆注下去以后，先是泡沫塑料的分解、氣化，然后金屬液取而代之。分解、氣化是個(gè)吸熱過(guò)程，使金屬液前沿的溫度比在砂型鑄造時(shí)下降很多，同時(shí)，這些金屬液直接與模樣的分解、氣化產(chǎn)物接觸，污染也比較嚴(yán)重，到達(dá)冒口中的金屬液除溫度降低外還會(huì)聚集較多的浮渣。

因而消失模鑄造生產(chǎn)鑄鋼件時(shí)要比砂型鑄造的冒口大一些，為了節(jié)省材料及減少發(fā)氣量，較大的冒口一般做成空心的。需補(bǔ)縮的位置放置補(bǔ)縮冒口，起補(bǔ)縮及集渣作用。圖6為缸頭空心冒口三維圖。

4 澆注系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

4.1 澆注系統(tǒng)的確定

澆注系統(tǒng)的確定主要考慮以下因素：

1）要保證鋼液的平穩(wěn)充型，盡量采用底注式或中部入水（矮小鑄件）澆注工藝，減少鋼液的卷氣、氧化和夾渣；

2）應(yīng)考慮將鑄件外型尺寸較小方向作為高度方向，以縮短內(nèi)澆口至鑄件或冒口最高處的鐵液行程，對(duì)鑄鋼件特別要考慮有利于排渣和補(bǔ)縮；

3）要有利于填砂震實(shí)、消除死角、減少變形：

4）便于橫澆道的開(kāi)設(shè)和內(nèi)澆口的均勻分布，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)充型；

5）橫澆道（含內(nèi)澆道）便于機(jī)壓成型，要有利于直澆道的連接和固定；

6）最高處不宜是薄壁部位，要有利于安裝冒口和有利于澆冒口的去除；

7）保證高壓油道和液壓閥面的致密性；8）橫澆道安裝后要有利于泡沫模的浸涂和烘烤；9）在保證合適的吃砂量情況下，盡可能多排鑄件，以提高生產(chǎn)力和出品率；

10）對(duì)于鑄鋼件要考慮過(guò)濾網(wǎng)的安裝等。

圖6 缸頭空心模片、冒口三維圖

4.2 實(shí)際應(yīng)用的缸頭澆注系統(tǒng)

圖7 ZL50F-71缸頭安裝澆冒口后的圖片

圖7 為所設(shè)計(jì)的缸頭澆注系統(tǒng)安裝后白模。從圖上可以看出澆道、冒口和鑄件之間的位置關(guān)系，鋼水從直澆道入水后，沿T形橫澆道走向分左右兩頭進(jìn)入6個(gè)內(nèi)澆口，橫澆道3處及4個(gè)內(nèi)澆口切面加放了過(guò)濾網(wǎng)，起擋渣作用。由于鑄件屬矮小件，內(nèi)澆口考慮安放在中部位置，對(duì)保持冒口鋼液的高溫補(bǔ)縮有利。連接于冒口之間的拉筋起固定模束作用，保證整體強(qiáng)度，便于浸涂、搬動(dòng)、埋箱操作。

5 鑄鋼澆注擋渣棉的應(yīng)用

消失模鑄造的澆注系統(tǒng)不具備擋渣功能，所以灰鐵件澆注要用茶壺包。但鑄鋼件澆注時(shí)茶壺口容易堵塞，無(wú)法使用茶壺包。若用底漏澆注則澆注一箱要塞包一次，一旦塞不住，鋼水將溢漏至砂箱和澆注臺(tái)上，造成事故，不宜采用。而單靠人工扒渣，由于鋼液的高溫輻射環(huán)境，是很難扒除干凈的。況且即使扒除干凈了，后面包內(nèi)生成的渣又會(huì)繼續(xù)上浮，隨澆注進(jìn)入鑄件。澆注的鋼件存在大量夾渣就成為主要問(wèn)題，不僅鑄造合格率低，機(jī)加工中途報(bào)廢率也高，嚴(yán)重制約了消失模缸頭鑄鋼件的開(kāi)發(fā)。通過(guò)外出參加會(huì)議和參觀交流，得到了鋼件澆注使用擋渣棉的方法。輕質(zhì)軟質(zhì)鋯鋁纖維擋渣棉，是一種質(zhì)輕、質(zhì)軟、聚渣能力強(qiáng)、隔熱遮光效果佳、使用安全的產(chǎn)品。用一合適尺寸的片狀擋渣棉，在澆包鋼液扒渣后，放在包嘴內(nèi)側(cè)，緊貼鋼液表面和包壁，其余液面撒上集渣劑，就可按正常澆注。經(jīng)過(guò)初步試用，發(fā)現(xiàn)方法改進(jìn)后，擋渣效果明顯，已列入正常工藝實(shí)施，圖8為鋼包擋渣棉的應(yīng)用。

圖8 鋼包澆注擋渣棉的應(yīng)用

6 缸頭產(chǎn)品的效果檢查及缺陷分析

6.1 缸頭產(chǎn)品的效果檢查

通過(guò)上述所做工作同時(shí)開(kāi)展浸涂涂料及浸涂工藝的研究，烘烤的放置和烘烤工藝改進(jìn)研究，埋箱造型震實(shí)參數(shù)的試驗(yàn)研究，直澆道的先燒后澆的應(yīng)用等，先后解決了缸頭的縮孔、碳渣和大部夾渣問(wèn)題，缸頭的生產(chǎn)進(jìn)入比較正常的軌道，鑄造合格率達(dá)到90%，機(jī)加工合格率達(dá)到85%.機(jī)加工后產(chǎn)生的廢品主要集中于缸頭的油口面渣眼和油道的滲漏，缸頭的研發(fā)進(jìn)入到關(guān)鍵的沖刺階段。圖9為批量生產(chǎn)退火后的缸頭，圖10為缸頭機(jī)加工后油口面渣眼、氣孔缺陷。

圖9 批量生產(chǎn)退火后缸頭

圖10 油口面渣眼、氣孔缺陷

6.2 油口面渣眼、氣孔缺陷分析

鋼水從直澆道進(jìn)入后，先頭的鋼水沿橫澆道走向分別進(jìn)入各件內(nèi)澆口并先充型底部凹槽的油口體，如圖11所示，該前沿鋼水沿途對(duì)泡沫、熱熔膠進(jìn)行氣化，溫度不停地下降，帶著夾雜物和卷著氣泡進(jìn)入油口體后停留不動(dòng)，溫度繼續(xù)下降，夾雜物和氣泡來(lái)不及上浮，就被凝固在油口體，造成機(jī)加工后出現(xiàn)渣眼和氣孔，而且遠(yuǎn)離直澆道的兩件比例大些。

圖11 底部凹槽的油口體

7 解決油口面鑄造缺陷關(guān)鍵措施及效果

7.1 油口體下安裝“傘把”

在油口體下方粘接一帶勾的“傘把”，如圖12所示，使前沿鋼水不停留在油口體凹槽上，而是被排到“傘把”里，通過(guò)3串18件的機(jī)加工驗(yàn)證，渣氣孔基本消除，說(shuō)明該措施有效。

圖12 油口體下安裝“傘把”

7.2 帶“拱橋”式橫澆道的應(yīng)用

原來(lái)使用平直的橫澆道，一串6件的澆注幾乎是每件同時(shí)進(jìn)水，若總澆注時(shí)間為20 s，則每件的進(jìn)水時(shí)間也為20 s，時(shí)間偏長(zhǎng)。設(shè)計(jì)帶兩道“拱橋”的橫澆道，如圖13所示，“拱橋”起先期的攔水作用，讓“拱橋”前面的兩件缸頭先大部分澆滿，可溢過(guò)“拱橋”時(shí)，再流入下一對(duì)兩件。以此方式，過(guò)兩道“拱橋”，使三對(duì)的兩件缸頭陸續(xù)充滿。這樣每件缸頭的澆注入水時(shí)間就為原來(lái)的三分之一，快速充型使溫度下降大為減少，使夾雜物和氣泡在鋼水凝固前得以上浮[3]，以消除油口體的夾渣缺陷，圖14為帶“拱橋”澆道的鑄件，表面光潔。該方法操作簡(jiǎn)單有效，批量驗(yàn)證后，已工藝固化。

圖13 帶“拱橋”的橫澆道

圖14 帶“拱橋”澆道的光潔鑄件

7.3 鋁塊脫氧劑代替廢鋁線

廢鋁線芯部含有1/4至1/3重量的鍍鋅鋼絲，造成實(shí)際脫氧劑加入量不夠，而且鍍鋅熔入鋼水后，鑄件凝固時(shí)析出氣孔的可能性增大?？刹扇〈胧旱谝徊剑黾訌U鋁線的加入量；第二步，用純鋁塊脫氧劑替代含鍍鋅鋼絲廢鋁線，提高脫氧效果，減少油口面氣孔。

7.4 采取措施后抽檢的機(jī)加工情況

采取關(guān)鍵措施后抽檢的機(jī)加工情況見(jiàn)表1.

表1 抽檢的機(jī)加工情況

總抽查機(jī)加工數(shù)量358件，產(chǎn)生缺陷26件，報(bào)廢數(shù)4件，機(jī)加工一次合格率平均數(shù)91.6%，最終合格率98.9%，取得了較為滿意的效果。機(jī)加工后缸頭見(jiàn)圖15.

8 結(jié)論

1）缸頭鑄鋼件研發(fā)的成功，填補(bǔ)了公司沒(méi)有生產(chǎn)耐高壓油缸缸頭的空白。對(duì)解決傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的缸頭頭尺寸精度低、外觀質(zhì)量差、砂眼、縮孔等質(zhì)量問(wèn)題，提高裝載機(jī)整機(jī)質(zhì)量水平具有重要意義。

2）選用低碳珠粒材料，設(shè)定合理的發(fā)泡、成型參數(shù)，設(shè)計(jì)空心模樣和冒口，提高澆注速度是消除碳渣的重要措施。對(duì)于尺寸較小的鑄鋼件，做成空心模樣后，產(chǎn)生碳渣的可能性很小。

3）為保證鋼件的致密性，特別是耐高壓件，冒口的補(bǔ)縮設(shè)計(jì)不可小視。要充分考慮各個(gè)位置安放冒口的可行性和不宜點(diǎn)，選擇合理的澆注位置和冒口形狀。

4）對(duì)鋼液的凈化、排渣、擋渣和浮渣處理的好壞是解決鋼件存在夾雜物的關(guān)鍵。消失模澆道不具備擋渣功能又不能用茶壺包，采用擋渣棉擋渣不失為一種有效方法。