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

M224型半自動內(nèi)圓磨床，實現(xiàn)徑向自動進(jìn)給的動力來自進(jìn)給液壓缸。在液壓油的作用下，進(jìn)給液壓缸內(nèi)活塞及活塞桿的往復(fù)直線運動，經(jīng)過進(jìn)給箱內(nèi)一系列復(fù)雜的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槟ゴ驳臋M向進(jìn)給運動，快進(jìn)、快退以及微量的徑向進(jìn)給運動，實現(xiàn)磨床進(jìn)給運動的自動化。

進(jìn)給液壓缸缸體作為進(jìn)給液壓缸中比較重要的一個鑄件，對鑄件的內(nèi)在質(zhì)量、氣密性、整體強(qiáng)度都有較高的要求，不允許有任何鑄造缺陷，機(jī)械加工后裝配結(jié)束要經(jīng)過液壓試驗，以保證其密封性能。原工藝采用分模造型，進(jìn)給液壓缸缸體軸心線呈水平澆注鑄件，實際生產(chǎn)中存在很多弊端，如鑄件圓柱面（澆注位置的頂部區(qū)域）多出現(xiàn)渣眼、氣孔，進(jìn)給液壓缸缸體上安放冒口的附近區(qū)域偶爾會出現(xiàn)局部疏松等，鑄件的廢品率較高，有時高達(dá)25%以上。通過對進(jìn)給液壓缸缸體鑄件的澆注位置、造型工藝、制芯工藝及澆冒口系統(tǒng)的改進(jìn)，避免了氣孔、渣眼缺陷的產(chǎn)生，并通過不斷完善熔煉工藝等，解決了進(jìn)給液壓缸缸體鑄件作為液壓件最易產(chǎn)生的組織疏松缺陷的問題，使鑄件的成品率大幅度提高，保證了進(jìn)給液壓缸缸體鑄件的質(zhì)量。

2 進(jìn)給液壓缸缸體鑄件的結(jié)構(gòu)特點

缸體鑄件是一個筒形零件（見圖1），輪廓尺寸φ148mm×φ82mm×228mm。鑄件壁厚均勻，主要壁厚33mm；毛坯重量20.6kg，材質(zhì)HT200；所有表面均要求機(jī)械加工，內(nèi)孔表面加工質(zhì)量要求較高，表面粗糙度0.8μm，不允許有氣孔、渣眼、縮孔等任何鑄造缺陷。由于工作狀態(tài)時承受壓力，故要保證強(qiáng)度要求，同時保證組織致密，即鑄件要具有耐壓致密性，以免發(fā)生滲漏等[1，2]。

圖1 進(jìn)給液壓缸缸體鑄件

3 原鑄造工藝及鑄造缺陷分析

3.1 原鑄造工藝

原鑄造工藝如圖2所示，采用分模造型，缸體軸線保持水平，分模面選在過軸線最大截面處；粘土砂造型，潮型、干芯；一型兩件，共用一個澆注系統(tǒng)，分型面上布置澆口，型腔頂部最高位置設(shè)置1個冒口補縮，同時利于型腔內(nèi)氣體排出。澆注系統(tǒng)各組元比例取為：F內(nèi)：F橫：F直＝1：1.4：1.2 ，F(xiàn)內(nèi)＝4.0cm2，F(xiàn)橫＝6.0cm2，F(xiàn)直＝4.8cm2，頂冒口尺寸φ55mm×90mm；砂芯氣體由一端排出；化學(xué)成分：wC＝3.3%，wSi＝1.85%，wMn＝0.8%，wS＝0.05%，wP＝0.1%；出鐵溫度1450℃，澆注溫度1390℃。

圖2 原鑄造工藝

3.2 鑄造缺陷分析

在采用上述工藝的生產(chǎn)過程中，相繼出現(xiàn)了如下問題。

1）進(jìn)給液壓缸缸體鑄件軸線呈水平狀態(tài)進(jìn)行澆注，部分圓柱面處于澆注位置的“頂面”，那么合型結(jié)束后對鑄型進(jìn)行充型澆注過程中，由于高溫金屬液內(nèi)部的氣體、渣子，在浮力作用下均會向上運動，最后集中在上部圓柱面附近，所以上部圓周缺陷較多，常出現(xiàn)氣孔、渣眼、砂眼等。

2）鑄件最高位置放置明冒口，與鑄件交接處形成了較大的接觸熱節(jié)（見圖3），并因高溫鐵液通過冒口頸填充型腔及補縮鑄件所產(chǎn)生的流通效應(yīng)，使冒口頸處鐵液溫度較高，綜合作用的結(jié)果，使鑄件與冒口頸接觸處鐵液凝固速度最慢[3]，成了最后凝固區(qū)域。由于該部位結(jié)晶組織粗大，易形成縮孔或疏松缺陷，所以在之后的液壓試驗中往往會發(fā)生滲漏。

圖3 熱節(jié)圓示意

4 進(jìn)給液壓缸缸體鑄件鑄造工藝改進(jìn)

4.1 澆注位置改進(jìn)

原工藝澆注位置：進(jìn)給液壓缸缸體的軸心線保持水平，缸體鑄件內(nèi)外圓柱面處于澆注位置的“頂面”，金屬液中的渣子、氣體（受浮力作用的結(jié)果）往往最容易在此聚集，使進(jìn)缸體鑄件的渣眼、氣孔缺陷明顯增多。改進(jìn)后鑄件的澆注位置（見圖4），使缸體鑄件的軸線呈“豎直”狀態(tài)，讓缸體的主要工作表面即內(nèi)外圓柱面成為澆注位置的“側(cè)面”，避免了其作為“頂面”時相應(yīng)的一些鑄造缺陷（氣孔、渣孔等）的產(chǎn)生，保證了缸體鑄件重要表面的質(zhì)量要求。

圖4 改進(jìn)后鑄造工藝

4.2 造型工藝改進(jìn)

進(jìn)給液壓缸缸體軸線保持豎直狀態(tài)，采取一坯三件連鑄，毛坯輪廓尺寸為φ1 4 8 m m×φ84mm×840mm。自底面向上695mm高度位置屬鑄件部分，其余145mm高度段為冒口部分，用來對鑄件進(jìn)行補縮，避免收縮缺陷產(chǎn)生；采用粘土砂造型，濕型，干芯；一型兩坯，立澆底注，兩毛坯共用一澆注系統(tǒng)。為避免澆注時造成“跑火”，下型不設(shè)置砂芯排氣通道，砂芯的氣體由上部排出。

4.3 制芯工藝改進(jìn)

進(jìn)給液壓缸缸體鑄件內(nèi)孔φ8 4 m m，長840mm，內(nèi)孔面需用一圓柱形砂芯形成。此砂芯長度尺寸大，金屬液充型完成后，周圍全被高溫金屬液包裹，砂芯內(nèi)部的氣體僅能從端頭排出，難度較大，為此砂芯制作必須保證排氣通暢。具體制作時，可準(zhǔn)備一根長930mm的鐵管（作芯骨），管壁上鉆出許多徑向小孔（φ5～6mm，孔距50～100mm），并在鐵管外纏上草繩，放置在芯砂中心部位進(jìn)行制芯。待到澆注作業(yè)時，由于受到高溫作用，草繩燃燒為灰燼，因此氣體就可以順利地從徑向小孔進(jìn)入管道，從砂芯的上端排到砂型外部[4]。砂芯制好后，要刷上鉛粉涂料，并進(jìn)行烘干處理。

4.4 澆冒系統(tǒng)改進(jìn)

改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)由中注式改為底注式，使金屬液充型更為平穩(wěn)，對砂型、砂芯沖擊力小，同時也利于氣、渣的上浮與排出。

選取澆注系統(tǒng)各組元比例為F內(nèi)：F橫：F直=1：1.5：1.1 ，F(xiàn)內(nèi)＝2.6cm2（截面25/27mm×10mm），F(xiàn)橫＝7.8c m2（截面24/28m m×30m m），F(xiàn)直＝11.4cm2（φ38mm）。

冒口改為由缸體毛坯的延長部分替代，高度為145mm，上表面敞開，補縮效果好，易于排氣、積渣。澆注系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 澆注系統(tǒng)

5 在鑄造生產(chǎn)中最易出現(xiàn)的問題及應(yīng)對措施

對于液壓件來說，組織疏松是一個非常致命的缺陷。鑄件一旦出現(xiàn)這樣的缺陷，在之后的液壓試驗時就會因滲漏而報廢。而且，由于這種缺陷往往是在機(jī)加工結(jié)束時才會發(fā)現(xiàn)，造成的損失會更大，因此更應(yīng)該引起足夠的重視。要避免這樣的缺陷，關(guān)鍵要做好以下兩個方面工作。

（1）保證鐵液成分的穩(wěn)定性 經(jīng)過配料計算出爐料配比后，按照該配比進(jìn)行備料，理論上應(yīng)能夠保證鐵液化學(xué)成分要求。但實際生產(chǎn)中因為各種原因，鐵液的化學(xué)成分會發(fā)生波動，即鐵液化學(xué)成分時而合格，時而不合格。為防止鐵液成分波動太大，造成鑄件組織疏松，熔煉備料時應(yīng)注意以下幾點。

1）新生鐵應(yīng)為同一爐次的，不同爐次的新生鐵不得混用。

2）回爐鐵應(yīng)依據(jù)成分分類使用。

3）應(yīng)限制特種鋼的使用。

4）爐料塊度應(yīng)適當(dāng)，以防漏下，造成成分混亂。尤其是對硅鐵、錳鐵等合金的使用更應(yīng)注意［5］。

（2）及時進(jìn)行爐前測試及爐前處理 熔化出的金屬液是否適合缸體鑄件，澆注后鑄件的各項性能指標(biāo)能否滿足要求，一般可通過爐前三角試片的白口數(shù)進(jìn)行粗略的判斷。三角試片的白口量應(yīng)在3.5～5mm。白口超標(biāo)時，加75%碎硅鐵孕育處理。白口＜3.5mm時，鑄件容易產(chǎn)生疏松等鑄造缺陷，不能澆注，可用于澆注其他壁厚稍小一些的鑄件。

6 生產(chǎn)驗證

采用改進(jìn)工藝，首批生產(chǎn)進(jìn)給液壓缸缸體鑄件100件，毛坯驗收時報廢2件；對進(jìn)給液壓缸缸體零件的機(jī)加工過程進(jìn)行全程跟蹤。在機(jī)加工過程中，因內(nèi)孔面出現(xiàn)氣孔報廢1件；在進(jìn)給液壓缸部裝結(jié)束后，對其進(jìn)行液壓試驗時，缸體零件未出現(xiàn)液壓油滲漏現(xiàn)象，零件全部合格，綜合廢品率3%。隨后又生產(chǎn)多批，廢品率均控制在4%以內(nèi)，保證了進(jìn)給液壓缸缸體鑄件的質(zhì)量。

7 結(jié)束語

改進(jìn)澆注位置，使進(jìn)給液壓缸缸體的重要工作表面處于澆注位置的側(cè)面，能減少渣眼、氣孔等鑄造缺陷，鑄件質(zhì)量更容易得到保證；三件連鑄，內(nèi)孔細(xì)長，砂芯的排氣必須通暢，以減少氣孔缺陷的發(fā)生；作為液壓件，選擇適當(dāng)?shù)臓t料配比和熔煉工藝等，能防止鑄件產(chǎn)生組織疏松缺陷，避免產(chǎn)品試壓時出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。