排鉆底座鑄件鑄造工藝探析

崔希文

河南工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心 河南鄭州 450001

1 序言

排式鉆床簡稱排鉆，是在一個(gè)排鉆底座臺(tái)面上安裝4個(gè)鉆床機(jī)頭，分別用于鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔或攻螺紋等操作，將多道工序集中到一臺(tái)設(shè)備上完成，減少加工過程中周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，提高工作效率。排鉆底座作為排鉆的關(guān)鍵部件之一，對(duì)其內(nèi)在質(zhì)量、臺(tái)面硬度、整體剛性、臺(tái)面平面度及外觀效果都有較高的要求。鑄件生產(chǎn)中最容易出現(xiàn)的是油槽部位尺寸誤差大、油槽外沿產(chǎn)生冷隔，筋板處出現(xiàn)掉砂缺陷，以及臺(tái)面出現(xiàn)組織疏松等。因此，需制定合理的工藝方案，并通過試產(chǎn)、工藝調(diào)整及量產(chǎn)，生產(chǎn)出合格鑄件，大幅度提高成品率。

2 鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

排鉆底座零件三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑄件重約500kg，最大輪廓尺寸為1800mm×606mm×100mm，最小壁厚12mm，最大壁厚42mm；上部臺(tái)面是零件加工時(shí)的基準(zhǔn)面，尺寸1700mm×508mm，有較高的平面度要求，且要求高硬度、耐磨；為防止臺(tái)面變形，增加鑄件剛性，采用多筋板結(jié)構(gòu)，但因筋板深度大，所以鑄型上凸起的砂塊易脫落，從而產(chǎn)生掉砂缺陷；底座四周為一冷卻油槽，槽形圓弧半徑為R16mm，油槽外沿半徑為R8mm，兩圓弧平滑過渡。油槽部位是成形的難點(diǎn)，造型起模時(shí)砂型易松動(dòng)帶掉，修型易“走形”，造成“形狀誤差”超差，油槽外沿部位易產(chǎn)生冷隔缺陷等。

圖1 排鉆底座三維結(jié)構(gòu)

3 筋板結(jié)構(gòu)及連接方式

為保證排鉆底板剛性，避免零件加工過程中臺(tái)面在外力作用下產(chǎn)生變形，對(duì)零件的加工精度造成影響，內(nèi)腔設(shè)計(jì)了較為密集的筋板（見圖1）。多筋板交接，各筋板交接處采用何種形式連接更好，方案有以下2種。

1）各筋板直接交叉，尖角處圓弧過渡，如圖2a所示，各獨(dú)立筋板的熱節(jié)圓直徑（d）為16mm；3筋板呈“米”字相交后，交接處形成的熱節(jié)圓直徑（d1）約為48mm（圓角半徑R8mm）。顯然d1要遠(yuǎn)大于d，那么在澆注后，交接處金屬液的凝固要遠(yuǎn)滯后于筋板部位，這就很容易在此形成熱裂缺陷。

圖2 筋板熱節(jié)

2）以多筋板中線交點(diǎn)為圓心，設(shè)計(jì)一個(gè)直徑100mm的圓環(huán)，各筋板與圓環(huán)成“T”字形連接，如圖2b所示。那么，筋板與圓環(huán)交接處的熱節(jié)圓直徑（d2）為23mm（圓角半徑R8mm），明顯小于d1。顯然，d＜d2＜d1，熱節(jié)圓直徑大大減小，與筋板厚度16mm較為接近，冷卻速度較為一致，鑄件質(zhì)量將明顯改善。因此，在排鉆底座內(nèi)腔出現(xiàn)多筋板相互交接時(shí)，多采用環(huán)狀接頭設(shè)計(jì)（見圖3），以滿足鑄件質(zhì)量要求。

圖3 多筋板環(huán)狀接頭設(shè)計(jì)

4 鑄造工藝設(shè)計(jì)

4.1 鑄造方案確定

排鉆底座鑄造工藝如圖4所示。

圖4 排鉆底座鑄造工藝

依據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取粘土砂、兩箱整模造型工藝，干型、干芯、一箱一型鑄造。由于排鉆底座上平面是主要工作面，面積大且質(zhì)量要求高，故工藝設(shè)計(jì)時(shí)大平面朝下，處于鑄型最低位置[1]。此鑄件成形的難點(diǎn)在于周邊的油槽部位，其成形方式有如下2種。

（1）實(shí)體模直接成形 依據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，排鉆底座鑄件的油槽部位完全可以采用實(shí)體模直接成形。但排鉆底座外形尺寸大，模樣重量較大，造型起模過程中均要利用橋式起重機(jī)進(jìn)行起吊，動(dòng)作不好控制，振動(dòng)大，相對(duì)于人工起模，型腔毀壞的更加嚴(yán)重，需要投入較大的工作量進(jìn)行修型，尤其是油槽外沿部位砂型經(jīng)常會(huì)帶掉，或松動(dòng)出現(xiàn)裂紋，大大增加了修型工作量。況且，修型后的型腔往往會(huì)“走形”，直接影響產(chǎn)品的外觀效果，廢品率較高。

（2）采用組芯法成形 在排鉆底座鑄型中，圍臺(tái)面四周設(shè)計(jì)一圈兒砂芯，鑄件的油槽部位均在砂芯中形成。其中，有4個(gè)拐角芯、1個(gè)澆口芯、5個(gè)直芯（長度按實(shí)際需要截取），如圖5所示。設(shè)計(jì)制作3個(gè)芯盒（拐角芯、澆口芯、直芯芯盒各1個(gè)）即可。直芯、拐角芯、澆口芯制好后，均在濕態(tài)下安裝到砂型的對(duì)應(yīng)位置，各接縫處用型砂修好，再統(tǒng)一涂刷鉛粉涂料、烘干。這樣形成的砂型質(zhì)量更為理想，油槽部位外形與設(shè)計(jì)造型更接近。顯然，采用組芯法成形更易操作，外觀效果也更為理想。砂芯組裝后的砂型如圖6所示。

圖5 砂芯設(shè)計(jì)

圖6 砂芯組裝后的砂型

4.2 澆冒口系統(tǒng)的確定

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否，冒口設(shè)置是否恰當(dāng)，對(duì)鑄件的質(zhì)量及成品率有極為重要的影響。澆注系統(tǒng)的設(shè)置有以下2種方式。

（1）頂注式澆注系統(tǒng)（分型面?zhèn)茸ⅲ?在分型面上設(shè)置澆注系統(tǒng)，由鑄件端頭、型腔的最高位置引入高溫金屬液。金屬液充型時(shí)可能會(huì)有少部分金屬液流到油槽“沿部”，而絕大部分金屬液流到型腔下部底面，由于底面面積大，因此金屬液上升到油槽高度位置需要的時(shí)間較長，在此時(shí)間段內(nèi)，油槽沿部的金屬液，由于量少，可能已凝固，也可能剛開始凝固，表面已有氧化膜形成[2]。遇到高溫金屬液之后，很難熔合到一體，便形成了冷隔缺陷，廢品率較高。

（2）底注式澆注系統(tǒng) 充型時(shí)金屬液首先流入型腔底面，自下而上充滿型腔，待液面上升至油槽高度位置時(shí)，可短時(shí)間內(nèi)快速充滿。在整個(gè)充型過程中，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，避免了“會(huì)有少量金屬液首先進(jìn)入油槽外沿部位”的現(xiàn)象。

顯然，選用底注式系統(tǒng)澆注鑄件是首選方案。制作一個(gè)澆口芯，金屬液由鑄件端頭引入型腔底部，平緩地自下而上充滿型腔。澆注系統(tǒng)各組元比例取為：∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直＝1∶1.4∶1.15 ，∑F內(nèi)＝4×3.96cm2，∑F橫＝2×11.8cm2，∑F直＝18cm2（φ48mm），澆注系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 澆注系統(tǒng)

鑄件中心圓臺(tái)厚度40mm，易產(chǎn)生縮孔缺陷，因此在圓臺(tái)上設(shè)置1個(gè)φ70mm×200mm冒口；周邊3個(gè)凸起的加工面（排鉆腿安裝基面）部位厚度較大，在中間位置各設(shè)置1個(gè)φ70mm×200mm冒口，對(duì)鑄件最后凝固部位進(jìn)行補(bǔ)縮。

4.3 鑄造工藝參數(shù)確定

排鉆底座大平面處于澆注位置的底面，質(zhì)量易于保證，加工余量設(shè)置為6mm，上面3個(gè)突臺(tái)易出現(xiàn)出現(xiàn)砂眼、夾渣缺陷，因此加工余量設(shè)為8mm，鑄件的收縮率取1%。

4.4 造型工藝

排鉆底座內(nèi)腔密集的筋板設(shè)計(jì)給造型操作帶來了一定的困難，筋板密而高，造型起模時(shí)筋板之間的型砂塊很容易被帶掉。為此，在模樣設(shè)計(jì)時(shí)，筋板部分可作如下處理：縱橫兩方向主筋板與模樣體之間采用固定連接，斜筋板可做成活動(dòng)式，待分型后再松動(dòng)、起出，以免分型時(shí)將上型凸起部分砂塊帶掉。

造型操作時(shí)，形成內(nèi)腔形狀的凸起部分帶在上型，如直接將上型起開，凸起部分易于斷掉，修型工作量增大。造型可采取如下操作：造好下型，在放置上箱之前，先前后左右松動(dòng)模樣，然后放置上箱，造上砂型，再將上下型一起翻轉(zhuǎn)180°，起開下型，松動(dòng)模樣后，將模樣從上型上吊起，保證凸起部分砂型完好。同時(shí)注意在凸起的砂塊上插釘子加固，以免產(chǎn)生“掉砂”缺陷。

4.5 熔煉與澆注

1）鐵液化學(xué)成分：wC＝3.3%，wSi＝1.85%，wMn＝0.8%，wS＝0.05%，wP＝0.1%。

2）爐前控制：三角試片，白口控制在4 ～5mm。當(dāng)白口大時(shí)，可在出鐵槽加75SiFe進(jìn)行孕育處理；當(dāng)白口小時(shí)，可以改澆其他薄壁鑄件，避免鑄件臺(tái)面產(chǎn)生組織疏松缺陷。

3）出鐵溫度：出鐵溫度控制在1430℃。

4）澆注溫度：澆注溫度控制在1 3 6 0 ～1390℃，澆注時(shí)，要注意扒渣引氣。

5 投產(chǎn)試驗(yàn)與工藝完善

首批投產(chǎn)5件，進(jìn)行試驗(yàn)。造型、制芯、組裝砂芯（濕態(tài)）、修型后形成砂型（見圖6），然后涂刷鉛粉涂料并烘干，經(jīng)合型、澆注、冷卻凝固及落砂清理，得到排鉆底座鑄件5件，交付檢驗(yàn)。

1）廢品分析。檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，5件中有4件成品，1件油槽沿部出現(xiàn)冷隔缺陷，冷隔高約10mm、長約160mm。倒查鑄件打箱情況，直澆道與鑄件之間有較厚的飛邊形成，由此可見，直澆道與型腔之間分型面間隙較大，澆注時(shí)金屬液會(huì)由此進(jìn)入，流至油槽沿部并迅速冷卻凝固，然后遇高溫金屬液仍不能很好地熔合到一起，便形成了冷隔缺陷。

2）工藝完善。合型操作時(shí)，在分型面上用石棉繩圍在直澆道周圍，將分型面間隙封死，保證澆注時(shí)高溫金屬液完全由型腔底部進(jìn)入，自下而上充滿型腔，徹底解決鑄件冷隔缺陷。

工藝調(diào)整后，又陸續(xù)投產(chǎn)數(shù)批，共計(jì)生產(chǎn)排鉆底座鑄件120件。經(jīng)檢驗(yàn)，外觀效果理想，無冷隔及掉砂等鑄造缺陷，尺寸誤差、形狀誤差均符合要求，廢品率控制在3%之內(nèi)。

6 結(jié)束語

對(duì)于重量及外形尺寸較大鑄件上尺寸精度、外觀效果要求較高的部位，利用砂芯成形效果理想，形狀誤差小。澆注時(shí)澆注系統(tǒng)選用要能使金屬液流集中、流動(dòng)平穩(wěn)，可有效地避免冷隔、鐵豆缺陷形成。