一種箱式床身鑄件的工藝改進(jìn)

郭新光，豆建民

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

臥加床身是大型機(jī)床的重要部件，它承載著機(jī)床其他部件的載荷，也是機(jī)床的核心骨架，其質(zhì)量對機(jī)床的精度、性能及使用壽命有直接的影響[1，2]。箱式床身作為大型鑄件，其油箱部位是此產(chǎn)品的命脈，在薄壁油箱部位容易出現(xiàn)芯撐融合不良、嗆氣孔等缺陷，產(chǎn)品進(jìn)行試漏后出現(xiàn)漏油情況，缺陷嚴(yán)重時(shí)可致使鑄件報(bào)廢[3]。本文以公司生產(chǎn)的某種床身為研究對象，針對前期出現(xiàn)的質(zhì)量問題，通過工藝改進(jìn)，確定出合理的鑄造工藝。

1 箱式床身的結(jié)構(gòu)與質(zhì)量要求

箱式床身具體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，材質(zhì)為HT300，鑄件重量為2989 kg,該產(chǎn)品輪廓尺寸為：3100 mm×1265 mm×785 mm, 鑄件主要壁厚15 mm，最大壁厚90 mm，最小壁厚15 mm。該鑄件要求加工面不得有夾砂、氣孔、夾渣、冷隔等缺陷，油腔部位不能有缺陷，且導(dǎo)軌硬度必須大于183 HBN，不允許出現(xiàn)組織疏松、硬度不合格等質(zhì)量問題，其他外觀面不得有較明顯的砂眼、粘砂以及鼓包等影響外觀質(zhì)量的缺陷。

圖1 床身結(jié)構(gòu)圖

2 原工藝及鑄件質(zhì)量問題分析

2.1 原工藝

針對該鑄件的技術(shù)質(zhì)量要求，工藝上我們采取了導(dǎo)軌面沖下，底面及油箱面朝上的工藝方法，同時(shí)鑄件全在上箱面，橫澆道下面放置過濾網(wǎng)，減少渣子等臟物流入型腔，內(nèi)澆道從導(dǎo)軌面及重要加工齊子面引入，使鐵水平穩(wěn)、均勻的進(jìn)入型腔，從而保證內(nèi)腔砂芯穩(wěn)定，便于尺寸控制，同時(shí)也有利于冒口補(bǔ)縮。

（1）熔煉參數(shù)

原材料配比如表1 所示。同時(shí)通過原鐵水成分調(diào)整，使主要成分的控制范圍達(dá)到表2 的要求。鐵水熔化溫度不高于1380 ℃，過熱溫度為1490～1510 ℃，澆注溫度控制在1370～1390 ℃。采用二級孕育槽進(jìn)行孕育處理，孕育劑為0.5%的SiFe（粒度為3～10 mm）。澆注時(shí)在包內(nèi)加入0.1%的SiFe（粒度為3～10 mm）進(jìn)行浮硅孕育，保證鑄件的Si 含量控制在1.7%～1.8%，C 含量控制在3.05%～3.15%。

表1 原材料配比

表2 原鐵水成分要求 w/%

（2）澆注系統(tǒng)

采用開放、底返式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道由底面引入，具體布置如圖2 所示。澆注系統(tǒng)比例為：ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶1.56∶1.53，直澆道?90 mm、橫澆道（105 mm+84 mm）×105mm、內(nèi)澆道?35 mm×4/?50 mm×3（?35 橫截面積3848 mm2、?50 橫截面積5890 mm2）。工藝采用8 個(gè)S100 mm 和2 個(gè)S80 mm 球冒口，不放置冷鐵。

圖2 原工藝澆注系統(tǒng)

2.2 鑄件質(zhì)量問題

（1）按照上述工藝生產(chǎn)了13 件鑄件，4 件硬度為164～176 HBN，低于顧客要求，檢測金相，發(fā)現(xiàn)珠光體含量只有80%～90%，其他硬度合格的產(chǎn)品，硬度也集中在180～185 HBN，風(fēng)險(xiǎn)比較大。

（2）生產(chǎn)的鑄件上箱面夾砂較多，基本每件均要焊修，增加了后續(xù)清理難度和返修成本。

（3）按照上述工藝生產(chǎn)，澆注過程中嗆火嚴(yán)重，由于嗆火報(bào)廢7 件，廢品率達(dá)到了53.8%。嗆火后的鑄件照片如圖3 所示，圈出來的地方為具體嗆火及芯撐融合不良位置，焊修后PT 檢測不合格。

圖3 鑄件嗆火及芯撐融合不良的外觀

2.3 原因分析

（1）鑄件材質(zhì)為HT300，由于壁厚偏差較大，澆注緩慢且澆注溫度比較低，在開放式的澆注系統(tǒng)下鑄件容易出現(xiàn)冷隔、組織疏松、硬度不合等缺陷。由于結(jié)構(gòu)的原因，相同材質(zhì)的鐵水澆注其他產(chǎn)品質(zhì)量均較為穩(wěn)定，但是在此產(chǎn)品上出現(xiàn)了硬度不合格的質(zhì)量問題。珠光體量不足，很有可能是促進(jìn)珠光體生成的化學(xué)元素含量不夠，同時(shí)CE 值過高也促進(jìn)鐵素體的生成。

（2）上箱面夾砂問題主要是因?yàn)椋阂皇怯捎谏舷涿婢瞧矫?，下芯間隙小，砂芯涂料層控制不好，在下芯過程蹭砂，并且上箱面溢流冒口少，澆注后容易出現(xiàn)夾渣物。二是由于該鑄件結(jié)構(gòu)特殊，上箱面減重孔及穿線孔集中在一端，油箱一側(cè)面幾乎無減重孔。實(shí)際生產(chǎn)過程中使用芯撐較多，下芯時(shí)容易蹭砂，散砂清理不干凈導(dǎo)致鑄件夾砂。

（3）澆注時(shí)的嗆火問題傾向性出現(xiàn)在10#、11#芯位置，具體如圖4 所示。10#、11#芯下側(cè)有芯頭固定，上側(cè)面完全靠芯撐支撐固定，且接觸面較大，無法有效固定，這兩塊砂芯在鐵水的沖擊下，都容易出現(xiàn)晃動導(dǎo)致嗆火問題的發(fā)生。

圖4 鑄件嗆火位置與砂芯的對應(yīng)

（4）使用普通芯撐后，出現(xiàn)融合不良，由于澆注時(shí)出現(xiàn)過區(qū)域澆注，澆注溫度得不到有效保證，導(dǎo)致出現(xiàn)芯撐融合不良缺陷，具體如圖5 所示。

圖5 鑄件芯撐位置與砂芯融合不良的對應(yīng)

3 工藝改進(jìn)措施及結(jié)果

3.1 改進(jìn)措施

（1）熔煉工藝改進(jìn)

由于提高廢鋼的比例對鑄件的硬度有利，在鐵水熔化配料時(shí)適當(dāng)?shù)奶岣吡藦U鋼的比例；為了保證珠光體的含量，把Mn 的控制中值由0.65%提高到0.95%，把C 的控制中值由3.12%降低為3.07%，Si 的控制中值由1.75%降低為1.71%；澆注溫度調(diào)整為1380～1400 ℃，其他熔煉參數(shù)保持不變。

（2）鑄造工藝改進(jìn)

由于此鑄件結(jié)構(gòu)的特殊性，原有3D 工藝采用下芯后頂面頂芯撐方式，8#和11#砂芯無法有效固定，12# 芯通過壓芯撐來固定8# 和11# 砂芯，無法徹底解決澆注時(shí)砂芯晃動引起的嗆火問題，同時(shí)容易蹭砂導(dǎo)致鑄件夾散砂。為了徹底解決嗆火和夾砂芯撐融合不良問題，此產(chǎn)品直接修改為3D 打印標(biāo)芯方式生產(chǎn)。砂芯采用“標(biāo)芯方式”生產(chǎn)，將不好固定的8#和11#砂芯芯頭部位設(shè)計(jì)成預(yù)埋螺桿方式，下芯前通過螺桿將6#芯與10#砂芯連接固定在一起，7# 砂芯上首先預(yù)埋上?20 mm 長度650 mm 兩根標(biāo)桿，將11#芯通過7#砂芯螺桿使其固定。通過標(biāo)芯方式減少芯撐的使用，具體如圖6 所示。對其余砂芯之間的間隙由1 mm調(diào)整為1.5 mm。上箱面上增加了溢流冒口由原來10 個(gè)增加到16 個(gè)，出氣面積多出5850 mm2，具體如圖7 所示。采用3D 打印標(biāo)芯工藝后，生產(chǎn)成本有了明顯將低，過程操作簡單，鑄件質(zhì)量得到有效保證，現(xiàn)場生產(chǎn)效率明顯提高。同時(shí)由于3D 打印砂芯的精度高，表面質(zhì)量好，組芯過程間隙適中，鑄件皮縫小，鑄件外觀質(zhì)量有明顯提升。

圖6 修改后標(biāo)芯對應(yīng)工藝圖

圖7 修改后澆注系統(tǒng)

3.2 改進(jìn)結(jié)果

按照上述改進(jìn)工藝連續(xù)生產(chǎn)了40 件該產(chǎn)品，鑄件基體組織中珠光體含量≥95%，抗拉強(qiáng)度315～335 MPa，實(shí)體硬度達(dá)到了183～192 HBN，滿足了顧客材料對質(zhì)量的要求。同時(shí)澆注過程平穩(wěn)，澆注溫度在1380～1400 ℃未發(fā)生嗆火現(xiàn)象，鑄件未出現(xiàn)夾渣、夾砂，芯撐融合不良等缺陷，改進(jìn)效果非常明顯，廢品率控制在1.5%以下。

4 結(jié)論

箱式床身的生產(chǎn)，有其特殊的地方，經(jīng)過長時(shí)間的摸索，逐步總結(jié)出一套關(guān)于油箱薄壁箱式鑄件的生產(chǎn)工藝，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。其主要內(nèi)容有：工藝采用油箱部位不頂芯撐，鑄件全在上箱，橫澆道下放置過濾網(wǎng)；為了保證珠光體的含量，嚴(yán)格控制Mn、C、Si 的含量；澆注溫度確保為1380 ℃以上，72 h 后方能吊運(yùn)打箱。