托板床身地坑組芯鑄造工藝設(shè)計(jì)*

趙耀鴻

(甘肅天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741024)

0 引 言

M8480A托板機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌表面硬度及直線度要求較高。M8480A床身較長，其外形精度要求是CT7-8級(jí)。材質(zhì)為HT300，導(dǎo)軌面硬度要求為(185±10)HBS.要求導(dǎo)軌部位無疏松、砂眼等缺陷。筆者結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)根據(jù)圖紙計(jì)算出，機(jī)床床身盡重約9 t，針對(duì)該機(jī)床床身外形尺寸較長且較重的特征，研究出一套合理的、經(jīng)濟(jì)的地坑組芯鑄造工藝方案，為滿足后期鑄件導(dǎo)軌表面硬度、直線度達(dá)標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

1 鑄造工藝的確定

1.1 造型方法的確定

M8480A托板床身結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 M8480A托板床身

由于生產(chǎn)車間現(xiàn)有的工裝條件限制，故選用地坑組芯造型工藝[1]。

1.2 澆注位置的確定

M8480A床身較長，其外形精度要求是CT7-8級(jí)。材質(zhì)為HT300，導(dǎo)軌面硬度要求為(185±10)HBS.要求導(dǎo)軌部位無疏松、砂眼等缺陷。兩導(dǎo)軌(V型+平軌)較厚，其熱節(jié)依次是Φ110 mm、Φ90 mm。根據(jù)鑄造工藝的要求，鑄件重要加工面應(yīng)下置或側(cè)立，因此將床身導(dǎo)軌面放在澆注位置的下端，以防止導(dǎo)軌面產(chǎn)生疏松缺陷[2]。

1.3 加工余量的確定

床身導(dǎo)軌面上加工余量為15 mm；導(dǎo)軌邊側(cè)12 mm；導(dǎo)軌下滑處12 mm；底面15 mm。鑄件收縮率為10‰。

1.4 砂芯位置及數(shù)量的確定

根據(jù)該床身的結(jié)構(gòu)，確定組裝該床身所需的砂芯，分別為底盤芯、兩邊側(cè)芯、兩頭堵頭芯、中間方芯及三角芯、蓋芯。除中間方芯及三角芯按結(jié)構(gòu)確定外其余砂芯厚度吃啥量保證200 mm。確定好各砂芯的位置及尺寸后，注明填砂方向，依次編號(hào)，作為裝配時(shí)的下芯順序。床身造型工藝如圖2所示。

圖2 床身造型工藝

2 砂芯芯盒材料及制作

2.1 芯盒材料

芯盒采用聚苯乙烯(ESP)材質(zhì)。泡沫板材的密度為18.7 kg/m3，其強(qiáng)度為0.13 MPa。泡沫板材經(jīng)人工切割并粘合而成。

2.2 芯盒制作

模型生產(chǎn)車間根據(jù)鑄造工藝圖紙制作芯盒，包括底盤芯、兩端側(cè)芯、兩頭堵頭芯、中間方芯及三角芯、蓋芯。做完的芯盒運(yùn)至造型現(xiàn)場，檢查合格后開始填砂制芯。

3 地坑組芯裝配過程

由于生產(chǎn)車間現(xiàn)有的工裝條件限制，故選用地坑造型。造型過程:①打地平，造型現(xiàn)場在打地平時(shí)做出撓度，根據(jù)以往此類床身件的經(jīng)驗(yàn)，撓度選16 mm；②每隔500 mm放置尼倫通氣繩，作為排氣通道，通往地坑門栓上沿；③待砂芯硬化后涂刷耐火涂料，點(diǎn)火烘干；④依照鑄造工藝圖紙依次下芯裝配，砂芯裝配完成后用鋼軌壓緊蓋芯，座上澆口杯后等待澆注。

4 澆冒系統(tǒng)

由于該鑄件尺寸大且壁厚，因此選取合理的澆注系統(tǒng)尤為重要。

(1) 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于本床身長度較長，故采用兩端澆注(即主澆口與副澆口)，澆注時(shí)主澆口先澆注，待主澆口中的鐵液淹沒整個(gè)底部導(dǎo)軌后，副澆口開始輔助澆注。采用階梯式澆注系統(tǒng)，直澆道及內(nèi)澆道均采用埋耐火瓷管的方式。①主澆口一端底部2道內(nèi)澆口鴨嘴瓷管正對(duì)導(dǎo)軌充型。上端兩道內(nèi)澆口采用兩通鴨嘴瓷管開設(shè)在鑄件底部地腳位置上；②副澆口對(duì)應(yīng)的底部兩道內(nèi)澆口鴨嘴瓷管開設(shè)在鑄件高度方向的一半處，上端兩道內(nèi)澆口采用兩通鴨嘴瓷管開設(shè)在鑄件底面上。為了充型平穩(wěn)且澆注過程阻渣，采用半開放半封閉式澆注系統(tǒng)，主澆口各澆道截面比為F直：F橫：F內(nèi)=1.3：1 :1.2。其澆注系統(tǒng)具體搭配為：直澆道采用Φ80 mm瓷管；內(nèi)澆道采用Φ40 mm鴨嘴瓷管與Φ40 mm直管搭接使用，共4道內(nèi)澆口；橫澆道截面按澆道比例計(jì)算為24 cm2，截面見圖3。副澆口各組元截面與主澆口相同。主、副澆注系統(tǒng)模擬圖分別如圖4、5所示。

圖3 橫澆道截面

圖4 主澆口澆注系統(tǒng)模擬圖 圖5 副澆口澆注系統(tǒng)模擬圖

(2) 集渣包設(shè)計(jì) 為了在床身導(dǎo)軌面上減少夾渣缺陷，獲得符合要求的床身，工藝上從副澆口一端的底盤芯兩導(dǎo)軌下部開設(shè)了集渣包，以便澆注時(shí)導(dǎo)軌面上獲得干凈的鐵液。

(3) 冒口設(shè)計(jì) 冒口在蓋芯上做出，蓋芯沿長度方向均分為8塊，每相鄰兩塊蓋芯上沿寬度方向均布兩個(gè)冒口，兩端頭蓋芯上各2個(gè)，共18個(gè)Φ30 mm冒口。

(4) 排氣口 排氣孔在蓋芯上做出，其定位尺寸在蓋芯芯盒中做出標(biāo)記，位置各自正對(duì)其下三角芯或方芯排氣芯頭中間位置，直徑為Φ15 mm，共22處。

(5) 冷鐵設(shè)計(jì) 由于機(jī)床導(dǎo)軌對(duì)其表面硬度要求較高，同時(shí)導(dǎo)軌薄壁部位與其最大熱節(jié)部位厚度相差較大。因此除對(duì)鑄鐵鐵液成分進(jìn)行調(diào)整外，為使導(dǎo)軌獲得較高的表面硬度，新增了18塊40 mm×40 mm×50 mm的外冷鐵，分別置于兩導(dǎo)軌下部的底盤芯中，依次沿兩導(dǎo)軌長度方向均勻分布。

5 鐵液熔煉與澆注工藝

通過計(jì)算得知該鑄件質(zhì)量大約為9 t且采用兩端澆注，故主澆口采用8 t澆包，副澆口采用3 t澆包。

5.1 鐵液熔煉[3]

(1) 熔煉設(shè)備

采用10 t冷風(fēng)沖天爐澆注，其熔化率為10 t/h,鐵液出爐溫度為(1 450±10 ℃)，熔化時(shí)間約為 1.5 h。

(2) 爐料成分與配比

焦炭：河南神火焦，含硫量0.48 % ，塊度Φ110 mm×120 mm.灰分 11.03%，生鐵：金昌鐵業(yè)；廢鋼：天水廢鋼廠；回爐料。爐料成分如表2所列。

表2 爐料成分ω /%

爐料配比為：生鐵30%，碳素廢鋼：45%，本廠回爐鐵：25%，孕育劑：75%Si-Fe粒(商品)，錳鐵：65%Mn-Fe粒(商品)。

5.2 澆 注

本床身的澆注共用2只澆包(即1只8 t包，1只3 t包)，1臺(tái)10 t冷風(fēng)沖天爐。熔煉完成后前爐出鐵先盛滿8 t包，后盛滿3 t包。兩臺(tái)天車同時(shí)吊運(yùn)澆注。澆注時(shí)主澆口先澆注，待主澆口中的鐵液淹沒整個(gè)底部導(dǎo)軌后，副澆口開始輔助澆注。澆注過程共耗時(shí)3 min，整個(gè)澆注過程平穩(wěn)順利，未出現(xiàn)嗆火現(xiàn)象。

6 鑄件品質(zhì)檢測

鑄件外形尺寸及加工余量均滿足圖紙要求，床身導(dǎo)軌部位未發(fā)現(xiàn)疏松、砂眼、夾雜等缺陷。同時(shí)鑄件外觀棱角清晰也未發(fā)生明顯的變形，符合使用要求。

鑄件成分檢測結(jié)果如表3所列；鑄件基體組織主要為珠光體.其基體的抗拉強(qiáng)度達(dá)335 MPa在床身導(dǎo)軌上取6個(gè)測試點(diǎn)，得到其表面硬度為(195±10)HBS，機(jī)械加工性能好。

表3 鑄件成分實(shí)測結(jié)果ω /%

在床身的地腳面上出現(xiàn)了小面積集渣，兩側(cè)面出現(xiàn)了輕微的皺皮現(xiàn)場。小面集渣處用鑄鐵焊條焊補(bǔ)后修平，側(cè)面皺皮處用小砂輪磨平，不影響床身的使用性能。

7 結(jié) 語

采用半開放半封閉底注式澆注系統(tǒng)有利于鐵液平穩(wěn)充型，阻渣效果好。造型裝配過程中撓度放置合理，外冷鐵放置合理，成功控制了鑄件凝固的方向及凝固過程中產(chǎn)生的變形。地坑組芯過程中地平中的排氣繩與蓋芯上的砂芯排氣口的使用，有效的保證了砂芯的排氣，防止了鑄件在澆注過程中的嗆火與憋氣。經(jīng)過檢驗(yàn)此鑄造工藝符合該床身生產(chǎn)的實(shí)際，徹底解決了前期出現(xiàn)的床身導(dǎo)軌表面硬度及直線度不合格的問題，對(duì)以后該托板類床身的工藝設(shè)計(jì)有指導(dǎo)性意義。