工程機(jī)械鑄鐵件工藝特性及質(zhì)量控制

河北鋼鐵集團(tuán)宣工公司 （張家口 075100） 常宏志

一、造型材料的選擇

由于工程機(jī)械類鑄件生產(chǎn)批量大，種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此要求型芯砂有較高的強(qiáng)度。呋喃樹脂自硬砂工藝成熟，其配套設(shè)備系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，原輔材料市場(chǎng)廣泛，其粘結(jié)劑樹脂加入量1.0%以下，成本較低，舊砂再生性好，回收率可達(dá)90%，因此從工藝性、成本控制和環(huán)保性考慮，呋喃樹脂自硬砂作為造型材料是最理想的選擇。采用呋喃樹脂砂生產(chǎn)的鑄件，粘砂、砂眼、皮下氣孔等缺陷明顯降低，尤其復(fù)雜砂芯可以不用芯骨，可簡(jiǎn)化造型、制芯操作，生產(chǎn)效率大幅提高。

二、不同類別鑄件的工藝特點(diǎn)

1.箱體類鑄件

箱體類鑄件壁厚一般在10mm左右，屬于“皮薄餡大”類鑄件，砂鐵比高，容易產(chǎn)生氣孔、冷隔缺陷。因此，在進(jìn)行該類鑄件工藝設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮“頂注”原則，采用開放式澆注系統(tǒng)，傾斜澆注，在澆口對(duì)面設(shè)置溢流冒口，起到排氣、收集冷鐵液的作用；上平面大口處盡量設(shè)計(jì)芯頭，以便砂芯中的氣體從上芯頭排出；充分利用透孔作為砂芯的支撐點(diǎn)，盡量避免芯撐的使用，以減少冷隔缺陷。典型件如T165推土機(jī)的罩蓋，鑄造澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.飛輪類鑄件

飛輪類鑄件直徑在500mm左右，壁厚40mm左右，此類鑄件屬于厚實(shí)體鑄件，容易出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，因此工藝重點(diǎn)是進(jìn)行補(bǔ)縮。

補(bǔ)縮的方式一是用冒口補(bǔ)縮，采用熱冒口或邊冒口的方式，冒口體采用方形冒口，“扁、薄、寬”的冒口頸，但對(duì)于壓邊冒口來說，壓邊寬度不可太小，依筆者的經(jīng)驗(yàn)取12～16mm比較適合，既可有效補(bǔ)縮，又可防止局部過熱而產(chǎn)生縮孔；二是加冷鐵的方式，充分利用石墨化膨脹進(jìn)行自補(bǔ)縮，這兩種措施相配合，厚實(shí)的輪類鑄件質(zhì)量即可得到控制。但要規(guī)定冷鐵的使用次數(shù)，以免由于冷鐵表面氧化而導(dǎo)致其激冷能力下降和產(chǎn)生嗆火缺陷，一般來說冷鐵表面氧化層和石墨氧化層達(dá)到0.2～0.4mm時(shí)就應(yīng)停止使用，推薦使用次數(shù)為15次。

飛輪類典型鑄件結(jié)構(gòu)和工藝如圖2、圖3所示。

3.缸體類鑄件

雖然缸體類鑄件也屬于環(huán)狀鑄件，但由于存在油道及環(huán)體上的切槽，鑄件易產(chǎn)生氣孔及縮松缺陷，工藝難度較大。在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮油道芯的排氣，采取在油道芯中加設(shè)尼龍氣道，以及加大芯頭等方式進(jìn)行排氣；還要考慮冒口的補(bǔ)縮范圍，根據(jù)鑄件直徑大小設(shè)置冒口數(shù)量。對(duì)于材質(zhì)為HT250的鑄件來說，不需要使用冷鐵，但對(duì)于球墨鑄鐵來說，必須在油缸底面加冷鐵才能防止縮松缺陷。難度較大的缸體零件鑄造工藝如圖4所示。

4.變速箱體類鑄件

此類鑄件的典型特點(diǎn)是高寬比大，壁厚較小，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)依然是采取“頂注優(yōu)先”的原則，便于鑄型和砂芯中氣體的順利排出。對(duì)于灰鑄鐵箱體，鑄件自補(bǔ)縮能力強(qiáng)，不用考慮補(bǔ)縮冒口，球墨鑄鐵箱體一般在上平面設(shè)置頂冒口，可對(duì)鑄件下部有效補(bǔ)縮。在鑄造工藝參數(shù)上，不同方向的收縮量要進(jìn)行調(diào)整，一般長(zhǎng)度、寬度方向?yàn)?%，高度方向?yàn)?.5%。為了克服鑄件高而造成的起模困難，在制作模樣時(shí)，起模斜度取正負(fù)值，芯盒斜度與模樣外皮一致，保證壁厚均勻。由于鑄件冷卻速度快，砂芯阻礙收縮，易產(chǎn)生裂紋，因此在砂芯中要設(shè)置增加退讓性的材料或制作中空芯筒，也可推遲打箱時(shí)間，防止鑄件裂紋。典型鑄件結(jié)構(gòu)和工藝如圖5、圖6所示。

5.閥體類鑄件

閥體類鑄件一般來說重量在幾十千克，質(zhì)量要求嚴(yán)格，不但不能有表面缺陷，而且要求材質(zhì)致密，不得有縮松、縮孔缺陷；內(nèi)腔尺寸精度要求高，不得有粘砂或披縫缺陷?；谏鲜鲆?，進(jìn)行閥體類鑄件工藝設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)腔砂芯最好采用熱芯盒制芯，以充分保證尺寸精度和表面質(zhì)量，芯頭砂型和砂芯部分要有合理的間隙，保證砂芯能自由收縮，造型時(shí)一定要采取措施保證砂芯產(chǎn)生的氣體能排出鑄型。在鑄件致密度控制上，最好采用發(fā)熱冒口進(jìn)行充分補(bǔ)縮，并采用高Si/C比配方，充分利用石墨化膨脹提高致密度。在內(nèi)腔清潔度控制上，可以采用電化學(xué)清砂的方式，個(gè)別閥體由于結(jié)構(gòu)原因，電化學(xué)清砂易產(chǎn)生裂紋時(shí)，必須采用手動(dòng)噴砂機(jī)進(jìn)行內(nèi)腔清理，確保內(nèi)腔質(zhì)量。

由表1可知，基本苗是處理6最高，為7.17萬(wàn)株/畝；依次是處理5為7.15萬(wàn)株/畝，處理3和處理4為7.04萬(wàn)株/畝；處理1最少，為6.90萬(wàn)株/畝?？偳o蘗是處理6最高，為16.29萬(wàn)蘗/畝；處理1最低，為14.70萬(wàn)蘗/畝。有效穗是處理6最高，為10.79萬(wàn)蘗/畝；處理1最低，為9.25萬(wàn)/畝。

典型球墨鑄鐵閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

從該件結(jié)構(gòu)上看主要有兩大難點(diǎn)：一是屬于厚大件，可能存在內(nèi)部缺陷；二是砂芯復(fù)雜，芯盒制作難度大。

第一個(gè)難點(diǎn)采用直徑90mm、高150mm的發(fā)熱冒口進(jìn)行補(bǔ)縮解決。

第二個(gè)難點(diǎn)的解決方法如下：

此鑄件形成油道的砂芯呈空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，整體出砂很難實(shí)現(xiàn)，組芯是唯一的方法。根據(jù)零件使用要求及砂芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們將砂芯分為三個(gè)部分分別制作。分配方案體現(xiàn)以下原則：

（1）盡量將尺寸要求高、功能相同的部分置于同一個(gè)芯盒中，保證尺寸精度。

（2）盡量將形狀復(fù)雜、出砂難度大的部分平均分配給各個(gè)芯盒，減小操作難度。

（3）盡量將定位基準(zhǔn)統(tǒng)一到一個(gè)芯盒上，保證砂芯相互之間的定位精度。

圖7 閥體結(jié)構(gòu)

（4）盡量增加定位面面積，保證最終粘結(jié)強(qiáng)度；盡量將粘結(jié)面置于靠近閥孔處，防止在閥體內(nèi)部形成無(wú)法清理的披縫。

按上述原則對(duì)砂芯進(jìn)行分割，如圖8所示。芯盒完成后，我們對(duì)組裝好的砂芯及最終鑄件進(jìn)行了劃線檢查，結(jié)果顯示，重要油槽尺寸精度達(dá)到±0.5mm，各層砂芯的組裝精度達(dá)到±1.5mm，完全滿足了鑄件的使用要求。

6.行星架類鑄件

由于要求對(duì)行星架作平衡試驗(yàn)，對(duì)高度尺寸和徑向尺寸均有很高的要求，因此芯盒和模樣均采用樹脂模型。為了保證尺寸精度，芯頭要采用整體圓柱形式，支承柱和圓盤均在芯盒中出，模樣芯頭和芯盒芯頭部分采用同一母模進(jìn)行配翻，以提高配合精度；各支承柱用同一木模翻樹脂模型；為了保證各空檔的高度，考慮鑄件在高度方向收縮受阻，制作時(shí)芯盒高度減小1～2mm。SD7高驅(qū)動(dòng)推土機(jī)二三排行星架結(jié)構(gòu)和模樣如圖9、圖10所示。

三、適合樹脂砂生產(chǎn)的工藝措施

1.吊砂工藝

由于呋喃樹脂砂填砂時(shí)流動(dòng)性好，抗拉強(qiáng)度高， 因此可推廣應(yīng)用吊砂工藝，減少箱體、輪類、軸承座類鑄件的砂芯數(shù)量，提高鑄件尺寸精度和生產(chǎn)效率，減少清理工作量，降低成本。我公司的典型箱體有特卡系列高驅(qū)動(dòng)推土機(jī)的變速箱體、變速箱蓋、鏈輪轂，以及T140—1的齒輪殼體、主離合器殼體等復(fù)雜箱體件，利用樹脂砂成功實(shí)施了吊砂工藝（見圖11），提高了鑄件等級(jí)。

2.疊箱造型工藝

由于樹脂砂強(qiáng)度度高，對(duì)于活塞、隔板等簡(jiǎn)單鑄件，可以采用疊箱工藝，以提高生產(chǎn)效率，降低砂鐵比，節(jié)約澆注面積，降低鑄件成本。具體方法是把模樣置于一帶底板的木框內(nèi)，造型時(shí)，首先制作平底砂型，然后在木框內(nèi)填砂刮平，砂型硬化后把砂型從木框中起出，放于平底砂型上，然后將第二個(gè)疊加到第一個(gè)上面，以此類推，一般可疊加6～8個(gè)鑄型，具體數(shù)量根據(jù)鑄件高度而定。

由于球墨鑄鐵件對(duì)鑄型剛度要求高，此方法不適于球墨鑄鐵件。

3.熔煉工序質(zhì)量控制

由于鑄鐵件存在石墨化膨脹，雖然可以進(jìn)行自補(bǔ)縮，但也使鑄件補(bǔ)縮量不確定，要保證鑄件內(nèi)在質(zhì)量，需要對(duì)鐵液成分和澆注溫度等因素進(jìn)行系統(tǒng)控制，尤其對(duì)于球墨鑄鐵件更為重要。我公司采用質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定的山西翼城生鐵和本溪生鐵為原料，同時(shí)使用優(yōu)質(zhì)的鑄造焦炭，確保穩(wěn)定的鐵液成分和較高的出鐵溫度（1450℃）。在此基礎(chǔ)上，可以把碳當(dāng)量提高到4.8%，從而在保證鐵液牌號(hào)的前提下，盡可能地提高鐵液的自補(bǔ)縮能力，熔煉工藝采用沖入法出鐵槽隨流孕育。

四、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于工程機(jī)械類鑄件，灰鑄鐵件工藝和質(zhì)量控制措施穩(wěn)定、成熟，鑄件廢品率低；球墨鑄鐵件工藝難度較大，補(bǔ)縮困難，每種鑄件都要經(jīng)過充分的工藝驗(yàn)證，或使用凝固模擬軟件進(jìn)行調(diào)整，做到既保證鑄件質(zhì)量，又有最好的經(jīng)濟(jì)效果。

（20121020）