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(dòng)內(nèi)圓磨床是鄭州第二機(jī)床廠的主要產(chǎn)品之一，在機(jī)械制造行業(yè)有較為廣泛的應(yīng)用。M224型內(nèi)圓磨床工作時(shí)，由裝在頭架主軸上的卡盤夾持工件作圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)橫向滑板、頭架及旋轉(zhuǎn)工件作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，往復(fù)液壓缸拖動(dòng)工作臺(tái)、帶動(dòng)砂輪架及高速旋轉(zhuǎn)的砂輪沿床身導(dǎo)軌作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以完成工件內(nèi)孔的磨削。其中，工作臺(tái)起著比較關(guān)鍵的作用，工作臺(tái)的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及運(yùn)動(dòng)精度直接影響到內(nèi)孔磨削的幾何精度。為了得到力學(xué)性能優(yōu)良、無鑄造缺陷的機(jī)床工作臺(tái)鑄件，工藝方案的設(shè)計(jì)十分重要[1，2]。通過結(jié)構(gòu)工藝分析，確定工藝方案，合理造型、制芯，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)澆冒口，選擇合適的鐵液成分，可生產(chǎn)出合格的工作臺(tái)鑄件。

2 工作臺(tái)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

M224磨床工作臺(tái)鑄件如圖1所示，上部2個(gè)380mm×44mm矩形凸臺(tái)是磨架的安裝基礎(chǔ), T形槽用以壓緊磨架，該部位要求組織致密，具有良好的力學(xué)性能和較高的精度。960mm×280mm矩形方框內(nèi)相當(dāng)于一個(gè)容器，用以回收切削液，底面為一曲面，其形狀應(yīng)便于切削液排出，且不得滲漏；工作臺(tái)下部有2條導(dǎo)軌（平導(dǎo)軌和△形導(dǎo)軌），是機(jī)床精度保證的關(guān)鍵部位，該部位截面厚大，為保證耐磨，硬度要求為180HBW以上，不允許出現(xiàn)氣孔、渣眼等任何鑄造缺陷；工作臺(tái)內(nèi)腔各筋板縱橫交錯(cuò)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且要安裝往復(fù)液壓缸、齒條等部件，尺寸精度有較高要求。零件重190kg，材質(zhì)HT 200，最大輪廓尺寸為1350mm×300mm×100mm，最大壁厚45mm，最小壁厚12mm。首先，雖然工作臺(tái)整體重量不大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求高，鑄造生產(chǎn)技術(shù)難度大，主要表現(xiàn)在工作臺(tái)導(dǎo)軌部位硬度要求高 （180HBW以上），因?yàn)楸诤駪沂?，所以要保證厚大導(dǎo)軌部位的高硬度要求，其他薄壁部位就很容易產(chǎn)生白口，造成加工困難。其次，工作臺(tái)質(zhì)量要求高，尤其是導(dǎo)軌部位，不允許有氣孔、渣眼等任何鑄造缺陷。這就對(duì)造型、制芯工藝及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

圖1 工作臺(tái)零件三維結(jié)構(gòu)

3 鑄造工藝設(shè)計(jì)方案

3.1 確定澆注位置、分型面

鑄件重要的加工面應(yīng)朝下，是澆注位置選擇的重要原則。導(dǎo)軌面是機(jī)床精度保證的關(guān)鍵部位，不允許有任何鑄造缺陷，因此應(yīng)置于澆注位置的下部，力學(xué)性能、質(zhì)量要求最容易得到保證。工作臺(tái)的內(nèi)腔形狀靠2個(gè)大砂芯形成，在下型留出芯頭，砂芯的定位與固定也比較容易實(shí)現(xiàn)。

由于兩個(gè)380mm×44mm矩形凸臺(tái)是鑄件上相對(duì)厚大部位，因此置于澆注位置的上部，利于實(shí)現(xiàn)順序凝固，便于明冒口設(shè)置，利于渣氣的排出。工作臺(tái)鑄件鑄造工藝如圖2所示。

圖2 工作臺(tái)鑄件鑄造工藝

工作臺(tái)鑄件采用分模造型，干型、干芯，分模面、分型面位置如圖3所示。鑒于模樣分開后，高度尺寸小，長(zhǎng)度尺寸大，模樣剛性差，易于變形、毀壞等因素，故將上下模作成模板形式，工作臺(tái)的上沿、下沿、淌水口等截面窄小部位用鋁合金加工成形，鑲在模板上，以保證使用壽命。 同時(shí)內(nèi)澆道、橫澆道、集渣包及澆口窩等均按尺寸要求做好，并固定安裝在適當(dāng)位置。砂箱的定位裝置為定位銷，定位銷應(yīng)固定在模板上，安裝時(shí)應(yīng)保證其軸心線與模板工作面（分模面）垂直。

圖3 分模面、分型面位置

3.2 鑄造工藝參數(shù)的確定

鑄件上表面出現(xiàn)渣孔、氣孔、砂眼缺陷的概率較高，這些缺陷往往會(huì)出現(xiàn)在上表面附近區(qū)域，因此應(yīng)預(yù)留較大的加工余量（7.5mm），使這些缺陷在機(jī)加工時(shí)被切除掉，保證了工作臺(tái)鑄件完好。導(dǎo)軌面（位于澆注位置的底面）及側(cè)面的質(zhì)量更容易得到保證，機(jī)加工余量取值較小（5mm）。工作臺(tái)上面及前側(cè)面T形槽（寬16mm×深12mm），因尺寸較小不易鑄出，故采用機(jī)加工成形效果更好。另外，在鑄件表面還有較多的螺紋孔系，由于孔徑較小，因此均不鑄出[3]。收縮率1%，起模斜度1°，分型負(fù)數(shù)1mm，砂芯負(fù)數(shù)1mm（見圖3）。

3.3 砂芯設(shè)計(jì)

由于工作臺(tái)內(nèi)腔要安裝往復(fù)液壓缸、齒條等，所以對(duì)內(nèi)腔的尺寸精度有較為嚴(yán)格的要求。整體而言，工作臺(tái)內(nèi)腔形狀復(fù)雜，高度空間小，縱向長(zhǎng)度大，對(duì)砂芯制作提出了更高要求。工作臺(tái)鑄型共有4個(gè)砂芯。

（1）主砂芯（1#、2#砂芯） 形成工作臺(tái)內(nèi)腔的主砂芯長(zhǎng)1320mm，為方便制作，將砂芯沿縱向分成2個(gè)即1#、2#砂芯，如圖4所示。1#、2#砂芯的上表面為曲面，選芯頭底面作為砂芯擺放或烘干時(shí)的基礎(chǔ)面。兩砂芯分開制作，刷涂料、烘干，合型時(shí)按要求拼裝到一起。由于內(nèi)腔高度尺寸小，砂芯兩翼部分強(qiáng)度低、易斷，因此需制作專用芯骨。

（2）淌水口砂芯（4#砂芯） 制好后（濕態(tài)）安裝到上型對(duì)應(yīng)位置，并用型砂擠緊，然后隨鑄型一起刷鉛粉涂料、烘干。

（3）端面孔砂芯 φ38mm端面孔由3#小砂芯形成，制芯后刷涂料、烘干，合型時(shí)安裝到位。

圖4 主砂芯

3.4 澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)鑄件質(zhì)量要求較高，采用帶有離心式集渣包的澆注系統(tǒng)，利于金屬液中夾渣的撇除。澆注系統(tǒng)各組元截面比為 ∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直＝1∶1.6∶1.25。根據(jù)工作臺(tái)鐵液總量及壁厚情況，內(nèi)澆口截面積計(jì)算值為7.6cm2，設(shè)置2個(gè)內(nèi)澆道，截面28mm/34mm×12mm，位置定在工作臺(tái)的端頭，方向正對(duì)著2條導(dǎo)軌，充型更為順暢。橫澆道設(shè)在上型，∑F橫＝6.1cm2, 截面20mm/24mm×28mm。橫澆道與內(nèi)澆道之間設(shè)置一離心式集渣包，集渣包尺寸為φ55mm/φ65mm×65mm。在橫澆道中間位置設(shè)置一個(gè)直澆道，∑F直＝9.6cm2，直徑為35mm，如圖5所示。

上型兩個(gè)380mm×44mm矩形凸臺(tái)是磨架的安裝基礎(chǔ)，該部位截面厚大，易產(chǎn)生縮松、縮孔等收縮缺陷。兩凸臺(tái)中間位置各設(shè)置φ70mm×200mm明冒口1個(gè)，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)縮，也利于氣體的排出[4]。

圖5 澆注系統(tǒng)

3.5 排氣方案

（1）型腔排氣 隨著金屬液注入，型腔內(nèi)會(huì)有大量氣體產(chǎn)生，這些氣體往往會(huì)聚集在上型型腔的最高位置。因此，應(yīng)在可能產(chǎn)生氣體聚集的部位設(shè)置排氣孔，利于型腔內(nèi)氣體的排出。工作臺(tái)上沿應(yīng)扎出數(shù)個(gè)排氣孔，工作臺(tái)尾部2工藝臺(tái)上各扎出排氣孔1個(gè)。2個(gè)380mm×44mm矩形凸臺(tái)部分，會(huì)有氣體聚集，可從φ70mm×200mm明冒口排出。

（2）砂芯排氣 兩大砂芯（1#、2#芯）制作時(shí)應(yīng)放入適量焦炭，以利于砂芯氣體的排出。在芯頭上扎出與焦炭間隙相連通的出氣孔，同時(shí)在下型芯頭座上出氣孔對(duì)應(yīng)位置扎出排氣孔。如此，砂芯受熱產(chǎn)生的氣體，首先集中到焦炭空隙，經(jīng)過芯頭排氣孔與下型芯頭座上對(duì)應(yīng)排氣孔排至鑄型外大氣中。為了防止高溫金屬液由芯頭間隙流入1#、2#砂芯排氣孔而將氣道堵死，砂芯安裝時(shí)應(yīng)使用油泥將芯頭座處排氣孔周圍封好。

3.6 化學(xué)成分的確定

化學(xué)成分是鑄件力學(xué)性能的基本保證，化學(xué)成分的選擇要滿足鑄件基本的強(qiáng)度、硬度要求等。為保證耐磨，工作臺(tái)導(dǎo)軌部位有較高的硬度要求（高于180HBW，這一點(diǎn)必須保證），同時(shí)又要兼顧薄壁部位的加工性能，不能出現(xiàn)白口，以免造成加工困難。在確定化學(xué)成分時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

1）在碳當(dāng)量一定的前提下，選取較高的Si/C值，對(duì)鑄件壁厚的敏感性較小。

2）S、P含量較低，防止裂紋產(chǎn)生。

3）原鐵液wSi＝1.4%～1.7%，出鐵槽75%碎硅鐵孕育處理，處理后鐵液成分為：wC＝3.2%～3.4%、wSi＝1.6%～2.0%、wMn＝0.7%～0.9%、wS＜0.15%、wP≤0.12%。

4 工藝生產(chǎn)驗(yàn)證

首批投產(chǎn)數(shù)量20件。

準(zhǔn)備好模板、砂箱等，按工藝要求進(jìn)行造型、制芯；砂型、砂芯涂刷鉛粉涂料，并烘干；清理型腔、清掃砂芯表面浮灰，下砂芯、驗(yàn)箱、安放芯撐、合型、糊箱、裝夾等，完成合型操作；酸性沖天爐熔化，出鐵溫度1490℃，爐前三角試片，白口6mm，75%碎硅鐵孕育處理；澆注溫度1440℃，澆注時(shí)間46s，澆注時(shí)應(yīng)注意擋渣、引火；澆注冷卻后打箱，取出鑄件，去除澆口、冒口、飛邊、毛刺，清除鑄件表面及內(nèi)腔型砂，交付檢測(cè)。

5 檢測(cè)結(jié)果

交檢工作臺(tái)20件，因出現(xiàn)明顯氣孔報(bào)廢1件，后對(duì)剩余19件進(jìn)行硬度檢測(cè)，在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上抽檢任意三點(diǎn)硬度，實(shí)測(cè)值在182～203HBW，符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)工作臺(tái)各部位的形狀誤差、尺寸精度進(jìn)行檢查，均在公差范圍內(nèi)。鑄件進(jìn)入機(jī)加工程序，又對(duì)工作臺(tái)機(jī)加工過程及導(dǎo)軌面刮研過程進(jìn)行了全程跟蹤，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌面組織致密，金屬光澤理想，其他薄壁部位加工性能良好，綜合廢品率5%。后又生產(chǎn)多批鑄件，廢品率均控制在5%以內(nèi)。

6 結(jié)束語

對(duì)于質(zhì)量要求較高的鑄件，在鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，采用帶有離心式集渣包的特殊澆注系統(tǒng)，能有效地防止渣孔缺陷的產(chǎn)生；對(duì)于截面高度尺寸小、長(zhǎng)度大的鑄件，分模造型時(shí)采取模板造型，能減少變形，保證鑄件精度；低碳、硅含量，以及大孕育量處理能解決鑄件壁厚懸殊時(shí)硬度偏差大的缺陷。