何文东
【摘 要】通过吊芯工艺,设计合理的底返雨淋式浇注系统,大平面放置锯齿状隔砂冷铁,再结合高碳当量熔炼高强度灰铸铁的电炉熔炼技术,大批量生产出了质量稳定、成品率高的大型龙门数控机床工作台铸件,合格率达到98％以上.这种技术操作简单,生产效率高,合格率高. 【期刊名称】《铸造设备与工艺》
蓝牙门禁【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】4页(P17-20)
【关键词】工作台;吊芯工艺;底返雨淋式浇注系统、隔砂冷铁;高碳当量;高强度
【作 者】何文东高压捕鼠器
自动润滑系统【作者单位】芜湖久弘重工股份有限公司,安徽芜湖241206
【正文语种】中 文
【中图分类】循环水旁滤器TG24
2015年国务院下发《中国制造2025》纲要，在“战略任务和重点”里，明确提出装备制造业十类重点领域突破发展，其中“高档数控机床和机器人”位列第二类重点领域。在此背景下，我国高档数控机床迎来井喷式发展，其中大型龙门五面加工中心由于加工零件的重量重尺寸大，对于重型装备零部件的加工不可替代，因此市场需求很大。
在大型龙门五面加工中心机床里，有一种工作台铸件，属于技术难度大，质量要求高的铸件。由于机床的大型化，铸件重量一般都在10 t到30 t之间，尺寸宽度2 m以上，长度在6 m以上。工作台台面裸露在机床外面，对外观和尺寸精度要求高，承压承重，台面表面不允许有任何铸造缺陷，不允许焊补，T型槽里也不允许有缩孔缩松缺陷。
图1 大型工作台铸件结构
1 大型工作台的技术要求和生产难点
大型工作台属于高强度灰铸铁铸件，H T300材质，布氏硬度要求大平面大于180HB，形状是平板框架长方体，内腔结构复杂，铸造结构如图1所示。大平面和T型槽里不允许有任何铸造缺陷，大平面不允许焊补。台面加工后的尺寸精度和平面度要求高，因此要求铸件残余应力要小。此类铸件由于重量大，一般超过10 t，大平面表面积大，一般在10 m2以上，壁厚厚大，大平面壁厚在50 mm～100 mm.铁液充型时间长，凝固时间长，容易出现砂眼、气孔、冷隔、渣孔、变形，T型槽缩松、孕育衰退等铸造缺陷，尤其是大平面皮下气孔和T型槽缩松缺陷比较普遍。大平面或者T型槽里只要出现任何的微小缺陷都视为废品。一般铸造厂家废品率高达20%～50%.因此采用什么方法生产大型工作台铸件，提高合格率，是很多铸造厂的研究课题。
2 铸造工艺
图2 大型工作台铸造工艺简图
2.1 分型面及砂芯设计
该类铸件采用呋喃树脂砂造型。图2为该类铸件铸造工艺简图，由于工作台台面的质量要求
非常高，反面滑块凸台要求相对低一些，因此将台面大平面放在下型。采用吊芯工艺，铸型位于上箱，大平面位于下箱，所有泥芯用螺杆固定在上箱。这样做的优点是泥芯内气体通过上面的芯头排气顺畅，减少气孔缺陷；当铸型翻转后，型腔中的散砂容易清理干净，减少夹砂缺陷；吊芯不使用芯撑，确保大平面没有异物，外观好。该工艺的缺点是行车起重重量必须足够，一般铸型加上砂箱重量超过40 t以上，配好型的铸型要翻转过来，瞬间冲击力非常大，必须使用50 t以上的行车才能完成。
2.2 浇注系统设计
大型工作台最突出的难点之一是台面的皮下气孔缺陷，尤其是地处江南地区的铸造厂这个问题更为突出。为了解决此问题，保证大平面温度场分布均匀，采用底返雨淋式浇注系统，如图3所示。浇注系统设计环形横浇道，四道直浇道，三个浇包同时快速浇注，总浇注时间控制在120 s以内，浇注温度控制在1380℃～1410℃左右。设计多个底返雨淋式陶瓷内浇道，使气体和夹杂物在进流铁水冲击力作用下充分上浮，保证大平面质量。注意浇注时，出水速度一定要快，以最短的时间将大平面快速充满，切忌浇注初期的断流现象，防止产生冷隔气孔等缺陷产生。浇注系统各组元截面积比例为ΣF直：ΣF横∶ΣF内=1∶2∶2.2，
为开放式无压浇注系统，其优点是充型平稳，大流量，低流速，不产生紊流。上箱放置若干个油瓶冒口，进行液态补缩。
图3 大型工作台浇注系统
2.3 隔砂冷铁设计
大型工作台台面壁厚在50 mm～100 mm，面积在10 m2以上，铁液凝固时间长，容易在T型槽部位产生缩松。由于浇注系统采用的是底返雨淋式，下箱设置了大量陶瓷内浇道，这样会造成大平面长时间过热，加剧了T型槽缩松缺陷的产生。鉴于此，在下箱设计了隔砂铸铁冷铁，如图4所示，用隔砂铸铁冷铁调节温度场，加快底部大平面的凝固速度，使铁水迅速结壳，提高石墨化膨胀带来的自补缩效果，降低内浇道长时间充型造成的过热。采用隔砂冷铁既解决了T型槽缩松，又避免了大量使用直冷冷铁而造成的大平面表面气孔缺陷。在铸铁冷铁表面设计了锯齿型，目的是增加冷铁与型砂接触表面积，增加型砂附着力，不至于浇注时产生冲砂。在下型型板上做出隔砂冷铁芯头，第一次造型后将砂箱翻转再将冷铁摆放好，注意间隙控制在20 mm以内，进行第二次造型，造好型到浇注时间大于24 h，使二次造型的隔砂层强度达到最高值，防止冲砂。隔砂层厚度设计为10 mm～20 m
m.隔砂冷铁的使用次数要控制，一般使用30次就要更换。
数控冲孔加工图4 隔砂冷铁
2.4 反变形挠度
大型工作台铸件一般长度在6 m以上，会产生变形，导致大平面中间部位凹进，因此工艺上要设计反变形挠度来抵消变形量。具体做法是在下型型板和隔砂冷铁芯头上同时做出反变形挠度，制作专用刮板，二次造型后，用刮板刮出反变形挠度并刮平砂型表面。一般按照每米1 mm～1.5 mm预留挠度。
3 熔炼工艺
时子环大型工作台是H T300材质，要求台面本体硬度大于180HB，珠光体含量大于95%，石墨形态A型，石墨长4～6级。由于台面面积大，壁厚厚大，很容易孕育衰退。既要保证机械性能，又要避免T型槽缩松缺陷，又不至于残余应力过大而造成尺寸变形，因此熔炼工艺很重要，采用高碳当量熔炼高强度灰铸铁的熔炼工艺。
3.1 炉料配比和化学成分
采用20 t中频感应电炉，大废钢量加优质石墨化增碳剂的合成铸铁熔炼工艺。废钢采用纯净无锈的优质碳素低锰压块汽车钣金料，增碳剂使用低硫低氮高温石墨化石油焦增碳剂。具体配料比例为废钢质量分数大于60%，生铁质量分数小于10%，其余为同材质的经过抛丸的回炉料。适当提高硅碳比，控制在0.55～0.6%，可以提高弹性模量，改善铸造性能、加工性能和铁水冶金质量。表1为上体台化学成分要求。
表1 高碳当量高强度灰铸铁的化学成分化学成分（质量分数，%）C S i Mn H T300 3.10～3.25铸铁牌号P S碳当量%（C E）共晶度Sc 硅碳比1.75～2.00 0.8～1.0＜0.10 0.06～0.12 3.800.87 0.58
3.2 合金化处理
提高碳当量必须加入合金元素做保证，以稳定和细化珠光体。常用的合金元素有铜、铬、锡、锑、钼、镍等。考虑经济因素，一般加入廉价的铬，加入质量分数在0.2%～0.3%左右，再配合微量锡，加入质量分数0.03～0.05%.
3.3 熔炼温度
大废钢量熔炼高强度灰铸铁，必须提高熔炼温度。炉料熔清后，在1 450℃左右取样做炉前成分分析，然后快速升温到1 500℃～1 520℃高温过热静置，静置时间在5 min～8 min.静置后炉内加生铁降温或者倒包降温，温度合适后出炉孕育。高温静置的作用是细化石墨和基体；产生自脱氧反应，使氧含量降低，氧化渣减少，铁液纯净度提高；孕育效果好。注意时间不能过长，以免造成石墨核心的烧损和氧含量过低，降低铁液冶金质量。
