摘要：本文主要闡述了生產(chǎn)高端數(shù)控機(jī)床球鐵(QT600-3)滑枕鑄件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用Anycasting模擬軟件對(duì)鑄造工藝進(jìn)行模擬分析，對(duì)澆冒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用熱風(fēng)烘烤工藝、冷鐵工藝以及組芯工藝等，生產(chǎn)出無(wú)縮松、組織致密的合格鑄件。
 

　　關(guān)鍵詞：滑枕鑄件、數(shù)值模擬、型腔烘烤、組芯工藝
 

　　滑枕鑄件是高檔數(shù)控機(jī)床上的關(guān)鍵鑄件之一，要求鑄件有高強(qiáng)度、高剛度、低應(yīng)力，六面全加工，加工后不允許有氣孔、砂眼、裂紋、縮松等鑄造缺陷，本文以我公司生產(chǎn)的某型號(hào)的QT600-3滑枕為例，來(lái)闡述一下生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量控制要點(diǎn)。
 

　　1、鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求：
 

　　外形輪廓尺寸為2100mm×670mm×600mm，鑄件主壁厚為55mm，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，分布著多道加強(qiáng)筋，由數(shù)個(gè)相連接的復(fù)雜型腔組成。圖1所示。鑄件毛坯重量約1850Kg，材質(zhì)為QT600-3，球化等級(jí)3級(jí)以上，石墨球大小5-8級(jí)，抗拉強(qiáng)度≧600MPa，伸長(zhǎng)率≧3%，布氏硬度180-220HB，基體組織為珠光體+鐵素體。因?yàn)榛淼牧鶄€(gè)面全是重要面，要求組織致密，不允許有氣孔、砂眼、裂紋、縮松等鑄造缺陷，鑄件要進(jìn)行UT探傷不超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
 

圖1 鑄件毛坯
 

　　2、鑄造工藝選擇
 

　　2.1、分型面選擇和砂芯的設(shè)計(jì)
 

　　采用呋喃樹(shù)脂砂工藝造型。因滑枕鑄件為全加工，為了保證鑄件的整體致密性和成品率，以及可操作方便性。采用平坐平澆兩開(kāi)箱造型，分型面選擇在鑄件最上面，使鑄件整體位于下型，橫澆道設(shè)置在上型。圖2。
 

圖2 分型面的選擇
 

　　滑枕內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂芯采用分體式制芯，然后再組芯工藝。中間砂芯兩端采用特殊芯頭定位，為了保證芯子的強(qiáng)度，制芯時(shí)采用直徑φ200mm的鋼管作芯骨。內(nèi)腔邊角是四個(gè)三角腔，做成單獨(dú)芯子用螺栓與中間大芯組裝好一塊下芯，芯子里的氣通過(guò)大芯排出腔外。圖3。
 

　　圖3 組裝好的芯子

 

　　2.2、澆注系統(tǒng)、冒口和冷鐵的設(shè)計(jì)
 

　　采用半封閉底注式澆注系統(tǒng)，截面比為S內(nèi)：S橫：S直=1：1.5：1.15，橫澆道上平放8個(gè)100×100的10PPI過(guò)濾網(wǎng)，內(nèi)澆口采用8根Ф20的陶管底注、分散多點(diǎn)方式進(jìn)火。上箱放置了8個(gè)A80×110的暗保溫冒口補(bǔ)縮和6個(gè)(長(zhǎng)60mmx寬10mm)扁出氣冒口排氣。內(nèi)腔筋板與大身相交的部位形成了厚大熱節(jié)，冷卻速度較慢，在最后的凝固區(qū)域中會(huì)出現(xiàn)縮孔縮松現(xiàn)象。為了平衡凝固溫度場(chǎng)，達(dá)到同時(shí)凝固的條件，鑄件熱節(jié)處都放置石墨冷鐵(見(jiàn)圖3)，并嚴(yán)格控制石墨冷鐵的間距不大于30mm，防止冷鐵間出現(xiàn)縮松。
 

圖4 工藝設(shè)計(jì)方案
 

　　2.3、數(shù)值模擬結(jié)果及分析
 

　　在球鐵件的生產(chǎn)中，冷鐵和冒口的合理使用是解決縮孔縮松最有效的措施。在鑄件生產(chǎn)前，對(duì)冷鐵的擺放和冒口的選擇、澆注系統(tǒng)的合理性、鐵液的充型情況、溫度場(chǎng)、鐵液凝固狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析可以有效的幫助我們優(yōu)化工藝。利用圣泉公司的Anycasting模擬軟件按照?qǐng)D4的工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，8個(gè)保溫冒口下面出現(xiàn)不同程度的縮孔縮松現(xiàn)象。見(jiàn)圖5。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)選擇的冒口模數(shù)偏小，補(bǔ)縮能力不夠。
 

圖5 模擬結(jié)果
 

　　2.4、工藝優(yōu)化
 

　　根據(jù)模擬分析結(jié)果，以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，鑄件主體壁厚在50mm以上，我們對(duì)原工藝方案做出調(diào)整，取消上箱保溫冒口，改為8個(gè)扁出氣冒口，同時(shí)橫澆道過(guò)濾座處增加內(nèi)澆口，一是在鑄件澆注完后期多加補(bǔ)澆，讓橫澆道在液態(tài)收縮時(shí)起到補(bǔ)縮作用；二是靠球鐵的石墨化膨脹特性實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮。三是為了能夠使純凈的鐵液平穩(wěn)的注入型腔，減小鐵液的紊流和噴射，避免多層氧化膜的產(chǎn)生。采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，截面比為S內(nèi)：S橫：S直=2：1.8：1，使鐵液流速能夠保持在0.5m-0.8m/s。對(duì)調(diào)整后的工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，整個(gè)凝固過(guò)程溫度場(chǎng)比較均勻，在凝固過(guò)程中，形成的孤立液相區(qū)都在合理范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的縮孔縮松缺陷(見(jiàn)圖6)。
 

圖6 工藝優(yōu)化后的凝固過(guò)程中及缺陷結(jié)果
 

　　3、造型控制要點(diǎn)
 

　　3.1、造型
 

　　用帶加強(qiáng)筋的砂箱，保證有足夠的剛度。防止石墨化膨脹時(shí)剛度不夠造成漲箱而影響鑄件尺寸和內(nèi)部出現(xiàn)縮孔縮松現(xiàn)象，石墨冷鐵使用前要進(jìn)行烘烤，保證干燥，同時(shí)石墨冷鐵表面質(zhì)量無(wú)凹坑等缺陷，冷鐵間隙控制在30mm以內(nèi)。
 

　　流涂好的砂型要進(jìn)行二次烘烤，主要是針對(duì)流涂后的死角部位和放置石墨冷鐵的地方進(jìn)行烘烤，防止冷鐵下和砂型死角部位燃燒不充分潮濕出現(xiàn)氣孔。
 

　　將組合好的砂芯，按照芯頭的定位下入型腔，并將氣道引出箱外，防止出氣不順造成氣嗆。
 

　　3.2、鑄型熱風(fēng)烘干工藝：
 

　　澆注前型腔內(nèi)通入熱風(fēng)并用測(cè)溫儀檢測(cè)型腔溫度，使型腔溫度升至80℃以上，保持1.5～2小時(shí)，停風(fēng)后半小時(shí)內(nèi)進(jìn)行澆注，這樣可以減少鐵液進(jìn)入型腔后因型芯和冷鐵的潮濕氣體與高溫鐵液的接觸而生成的二次渣和氣孔。
 

　　4、化學(xué)成分選擇及熔煉澆注工藝
 

　　4.1化學(xué)成分
 

 

       4.2、熔煉澆注工藝

 

　　利用2T中頻感應(yīng)電爐熔煉，原材料使用20%生鐵+60%廢鋼+20%回爐料，用增碳劑和碳化硅增碳增硅，出爐溫度控制在1500-1520℃。選用La系球化劑+重稀土混合球化劑，球化劑總加入量1.1%，硅鈣鋇孕育劑加入量0.4%，澆注溫度1350～1370℃，澆注時(shí)間40-50S，澆注時(shí)二次隨流孕育，加入量0.07～0.1%。
 

　　4.3、樣件試制及結(jié)果分析
 

　　采用上述成分以及熔煉工藝進(jìn)行了3個(gè)爐次產(chǎn)品試驗(yàn)，分析結(jié)果如下：
 

　　表1 試樣的化學(xué)成分及性能
 

圖7 石墨球分布及基體組織 X100
 

　　從表1中以及圖7中可以看出：上述試驗(yàn)爐次成分均在控制范圍內(nèi)，其抗拉強(qiáng)度、延伸率、球化率以及金相組織均滿足要求。
 

　　4.4、鑄件檢驗(yàn)
 

　　鑄件落砂拋丸后，經(jīng)過(guò)檢查外觀質(zhì)量良好，無(wú)明顯氣孔、夾渣等鑄造缺陷，產(chǎn)品清理打磨后，采用三維掃描進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)合格，鑄件本體硬度檢測(cè)都在185-200HB之間。同時(shí)我們對(duì)鑄件進(jìn)行UT探傷，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)三級(jí)以上鑄造缺陷。鑄件發(fā)往客戶加工確認(rèn)性能質(zhì)量合格，滿足客戶技術(shù)要求。
 

　　5、結(jié)論
 

　　1、采用底注+頂注的合理澆注工藝布局，能鐵液平穩(wěn)的注入型腔，減小鐵液的紊流和噴射，避免產(chǎn)生過(guò)多的二次氧化夾渣物，同時(shí)采用冷出氣冒口+冷鐵工藝，平衡溫度場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)均衡凝固，減少冒口使用數(shù)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝出品率。
 

　　2、利用數(shù)值模擬技術(shù)分析，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)可縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。
 

　　3、采用鑄型熱風(fēng)烘烤工藝，以減少鐵液進(jìn)入型腔后因型芯和冷鐵的潮濕氣體與高溫鐵液的接觸而生成的二次反應(yīng)渣和氣孔。
 

　　參考文獻(xiàn)：
 

　　1、魏兵 、袁森 、張衛(wèi)華.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用：北京:機(jī)械工業(yè)出版社  1998.
 

　　2、俞勝宏. 一種數(shù)控龍門(mén)加工中心方滑枕的鑄造工藝:CN110014127A[P]. 2019.
 

　　3、王榮, 隋欣夢(mèng), 魏德強(qiáng)，馮建國(guó). 龍門(mén)加工中心滑枕鑄件的數(shù)值模擬分析：鑄造技術(shù)(2016).
 

　　作者簡(jiǎn)介：張新霞(1974- )，女 ，漢，工程師，畢業(yè)于開(kāi)封大學(xué)機(jī)械制造與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，主要從事鑄造工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)技術(shù)。 郵箱：zxx@hnjty.com   電話：13569854415
 

　　通訊作者：邢貝貝(1985- )，男 ，漢，工程師，畢業(yè)于河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，主要從事鑄鐵生產(chǎn)及質(zhì)量管理技術(shù)。郵箱：xbb@hnjty.com 電話：18240697920