25MN壓力機(jī)立柱鑄造工藝設(shè)計(jì)

遼陽(yáng)鍛壓機(jī)床股份有限公司（遼寧 111000）張懷敏

我公司是鍛壓機(jī)床專(zhuān)業(yè)定點(diǎn)廠(chǎng)，25MN壓力機(jī)（見(jiàn)圖1）是我公司自主研發(fā)的重點(diǎn)產(chǎn)品，其機(jī)身分為橫梁、立柱、底座三部分，其中立柱在工作過(guò)程中起支撐作用，承受高達(dá)40MN的頻繁沖擊，技術(shù)上對(duì)鑄件質(zhì)量要求很高，尤其是導(dǎo)軌處要求更為嚴(yán)格，鑄件時(shí)效處理后需進(jìn)行整體超聲波無(wú)損檢測(cè)，此件具有較大的外形尺寸及重量，相對(duì)我公司的現(xiàn)有鑄造能力，是一個(gè)較大挑戰(zhàn)。下面簡(jiǎn)述其鑄造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖1 25MN壓力機(jī)

一、鑄件結(jié)構(gòu)及工藝分析

鑄件材質(zhì)為HT250，具有較大的外形尺寸：3010mm×1500mm×720mm，單件凈重8500kg。立柱是整個(gè)機(jī)床的重要件，其質(zhì)量是保證機(jī)床精度的首要因素。鑄造要求嚴(yán)格，尤其是導(dǎo)軌面，加工要求嚴(yán)，質(zhì)量要求高，導(dǎo)軌面要求耐磨，此處也較厚大，表面粗糙度要求Ra達(dá)到3.2μm，不得有砂眼、夾砂、縮松及氣孔等鑄造缺陷，鑄件時(shí)效處理后需進(jìn)行整體超聲波無(wú)損檢測(cè)，這樣就要求我們采用可行的鑄造工藝來(lái)保證鑄件質(zhì)量。將導(dǎo)軌面放到下部或側(cè)面，澆注鐵液沿導(dǎo)軌縱向流入，使之平穩(wěn)地充滿(mǎn)型腔，結(jié)合我公司的實(shí)際生產(chǎn)情況，采用表干型鑄造。

二、分型面及加工余量的選擇

25MN壓力機(jī)立柱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，砂芯較多，為保證鑄件質(zhì)量使金屬液體平穩(wěn)流入型腔，將立柱平置澆注，由于立柱結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，砂芯又多，為保證鑄件質(zhì)量，且便于工人操作，盡可能地把砂芯放到下箱，這樣就把分型面確定在兩側(cè)砂芯的上平面，這樣兩側(cè)凸臺(tái)做成活塊，即可解決起模問(wèn)題。因?yàn)榱⒅鞘止ぴ煨?，單件小批生產(chǎn)，所以采用灰鑄鐵的三級(jí)精度，根據(jù)鑄件在鑄型中的擺放位置和鑄件的最大尺寸，確定鑄件底面和側(cè)面的加工余量為10mm，留起模斜度為2mm。

三、內(nèi)澆道的數(shù)量、類(lèi)型及位置的選擇

1.內(nèi)澆道數(shù)量的選擇

內(nèi)澆道的數(shù)量主要取決于鑄件結(jié)構(gòu)和合金的性質(zhì)，內(nèi)澆道的數(shù)量多，能夠?qū)⒁后w金屬分散引入型腔，可以減少局部過(guò)熱，對(duì)消除熱裂、縮孔、粘砂等缺陷起著重要作用，但如果數(shù)目太多，又受到結(jié)構(gòu)所限，造型麻煩，增加了清理工作量，同時(shí)又增加了流動(dòng)阻力，因此選擇兩側(cè)對(duì)澆，每側(cè)4個(gè)內(nèi)澆道較好。

2.澆注系統(tǒng)類(lèi)型的選擇

澆注系統(tǒng)主要有三種形式，第一種是封閉式澆注系統(tǒng)，即F直＞F橫＞F內(nèi)，此類(lèi)型澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道截面最小，在澆注時(shí)整個(gè)澆注系統(tǒng)很快流入金屬液，流入內(nèi)澆道的速度是由整個(gè)澆注系統(tǒng)的金屬壓頭所決定的，故流速較大，液態(tài)金屬流入型腔易發(fā)生噴射現(xiàn)象，液體產(chǎn)生飛濺、氧化和卷入氣體。第二種是開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，即F直＜F橫＜F內(nèi)，這種澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道截面最大，金屬液流入時(shí)速度最小，流動(dòng)平穩(wěn)，沖擊較小，同時(shí)也不易產(chǎn)生飛濺、氧化和卷入氣體，但這種澆注系統(tǒng)除渣能力很差，鑄件易產(chǎn)生夾渣缺陷。第三種是半封閉式澆注系統(tǒng)，即F橫＞F直＞F內(nèi)，這種澆注系統(tǒng)橫澆道截面最大。由于直澆道較小，橫澆道較大，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，且撇渣能力也較強(qiáng)。通過(guò)以上三種類(lèi)型澆注系統(tǒng)的比較，采用半封閉式澆注系統(tǒng)較為理想，它既避免了封閉式澆注系統(tǒng)的噴射、氧化和卷入氣體的缺點(diǎn)，又解決了開(kāi)放式澆注系統(tǒng)撇渣能力差的不足，故選擇半封閉式澆注系統(tǒng)。

3.澆注位置的選擇

為保證導(dǎo)軌的質(zhì)量，能使鐵液沿著導(dǎo)軌縱向流入，選擇在兩側(cè)澆注為好；為造成立柱的順序凝固，內(nèi)澆道應(yīng)設(shè)在壁較厚處；另外，還不能妨礙鑄件的收縮，以免產(chǎn)生裂紋和變形；內(nèi)澆道的安放還要便于清理，這樣就將內(nèi)澆道設(shè)置在立柱兩側(cè)需機(jī)械加工面的厚壁處，立柱鑄造工藝如圖2所示。

圖2 立柱鑄造工藝

四、澆注系統(tǒng)尺寸的計(jì)算

因已選擇了半封閉式澆注系統(tǒng)，所以初步將澆道面積比定為F內(nèi):F直:F橫=1:1.2:1.4。立柱在鑄型中的位置如圖3所示。

圖3 立柱在鑄型中的位置

通過(guò)計(jì)算，內(nèi)澆道總截面積為87cm2，兩側(cè)各放置4道，每個(gè)內(nèi)澆道截面積約11cm2，取梯形截面尺寸為50/60mm×20mm；橫澆道總截面積為61cm2，取梯形截面尺寸為70/90mm×75mm（因橫澆道兩側(cè)分流，故計(jì)算時(shí)取1/2F內(nèi)的面積）；直澆道截面積為52.2cm2，取φ80mm圓形截面。

五、冒口位置、種類(lèi)及尺寸的確定

1.冒口位置的確定

金屬液流入型腔后，由于型壁的激冷作用，在型壁附近的金屬液體具有很大的過(guò)冷度n（見(jiàn)圖4），使之在型壁處產(chǎn)生大量的晶核，鑄型表面金屬的凝固產(chǎn)生了細(xì)晶區(qū)，同時(shí)伴隨著體積的收縮，在凝固區(qū)液體的收縮就能從前沿液體中得到補(bǔ)充，伴隨溫度的降低，凝固從表層向內(nèi)部發(fā)展，最后在鑄件的較厚處或較高處易出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷。根據(jù)立柱的結(jié)構(gòu)，將冒口放在兩側(cè)，共5個(gè)冒口（見(jiàn)圖2）。

圖4 熱分析冷卻曲線(xiàn)

2.冒口種類(lèi)的選擇

我們選用瓶形明冒口，因明冒口方便造型，又能通過(guò)冒口觀(guān)察液面上升情況，不受砂箱高度的限制，同時(shí)又能起到排渣、出氣的作用，但其保溫性差，可采用高溫鐵液點(diǎn)補(bǔ)冒口和撒發(fā)熱劑、保溫劑等來(lái)提高冒口的補(bǔ)縮率。由于瓶形冒口在相同體積下表面積最小，因此散熱慢，凝固時(shí)間就長(zhǎng)，補(bǔ)縮效果也就越好。

3.冒口尺寸的確定

冒口的大小是根據(jù)被補(bǔ)縮部位的熱節(jié)圓直徑的大小來(lái)確定的，立柱的熱節(jié)圓如圖5所示。

據(jù)兩側(cè)拉筋孔處熱節(jié)圓直徑，又要考慮到冒口根部的斷面寬度，確定為瓶形冒口，根部直徑為φ80mm。

圖5 立柱熱節(jié)圓示意

六、工藝措施

（1）控制化學(xué)成分 此件材質(zhì)為HT250，鑄件目標(biāo)化學(xué)成分為：wC＝2.8%～3.1%，wSi＝1.2%～1.4%，wMn＝1.0%～1.2%，wp<0.1%，wS<0.1%。即達(dá)到了鑄件的強(qiáng)度要求，又能在凝固時(shí)有較高的石墨化膨脹能力，減少鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松傾向的可能性，為生產(chǎn)合格鑄件提供了前提條件。

（2）控制澆注溫度 因我公司目前只有一個(gè)5t/h熔煉能力的沖天爐，前爐鐵液存儲(chǔ)量為2.5t，兩個(gè)5t澆包，立柱需澆注近10t的鐵液，要2h才能產(chǎn)出，而因前爐鐵液存儲(chǔ)量有限，先出爐的鐵液需在爐外靜置時(shí)間較長(zhǎng)，如果鐵液溫降較多，就無(wú)法保證鑄件質(zhì)量。

為保證鐵液溫度，我們采取了圖6所示的倒包澆注工藝，即一個(gè)澆包經(jīng)兩次出鐵接滿(mǎn)后保溫靜置，待第三次出鐵前將第一個(gè)澆包中的鐵液倒入第二個(gè)澆包中一半，第二個(gè)澆包溫度低，鐵液降溫快，所以鐵液一經(jīng)倒入第二個(gè)澆包后，立即用第三次剛出爐的高溫鐵液將其補(bǔ)滿(mǎn)后保溫靜置，第四次出鐵再將第一個(gè)澆包補(bǔ)滿(mǎn)靜置，出凈渣氣后，待溫度降至1310～1330℃時(shí)再澆注。經(jīng)這樣處理，兩包鐵液溫度比較接近，就不易產(chǎn)生冷隔缺陷，也不會(huì)產(chǎn)生因一包鐵液出爐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使溫度降低而達(dá)不到工藝要求的情況，防止了鑄件產(chǎn)生澆不足的可能性，因?yàn)殍F液靜置時(shí)間足夠長(zhǎng)，就大大減少了因澆注溫度過(guò)高，金屬的總收縮量增加，吸氣增多，氧化嚴(yán)重，鑄件容易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、氣孔、粗晶等缺陷的機(jī)會(huì)，這一因生產(chǎn)能力不足而采取的無(wú)奈之舉，不僅解決了不能生產(chǎn)較大噸位鑄件的難題，更實(shí)現(xiàn)了在保證足夠流動(dòng)性的前提下盡量降低澆注溫度，減少液態(tài)收縮，排凈渣氣，為獲得優(yōu)良鑄件打下了較好的基礎(chǔ)。

圖6 倒包工藝

（3）控制鑄型剛度 嚴(yán)格操作規(guī)程，在造型時(shí)嚴(yán)格要求，使每層填砂高度不許超過(guò)150mm，均勻舂實(shí)，使型砂緊實(shí)度均勻一致，保證鑄件尺寸要求及外觀(guān)質(zhì)量。采用表干型鑄造，鑄型經(jīng)表層烘干，使鑄型表層水分減少，強(qiáng)度高，透氣性好，可避免由濕型而引起的一些鑄造缺陷如夾砂、氣孔、沖砂、粘砂等，又比干型成本低且效率高。

（4）工藝方面 ①因此件采取的是頂注快澆工藝，鐵液上升速度快，不容易氧化，鐵液對(duì)型腔的烘烤時(shí)間短，減小涂層開(kāi)裂、脫落的可能性，減少鑄件夾渣等缺陷的產(chǎn)生；防止出現(xiàn)澆不足、冷隔缺陷；鑄件各部的溫度差小，防止裂紋發(fā)生；使型腔內(nèi)氣壓增大，氣體容易從鑄型向外排出，鑄件不容易產(chǎn)生氣孔等孔洞類(lèi)缺陷。②應(yīng)用8個(gè)冷筋出氣冒口，在澆注過(guò)程中起排氣作用，澆注近結(jié)束時(shí)起一定的補(bǔ)縮液體的作用，在澆注結(jié)束后調(diào)節(jié)鑄件中間部位的溫度場(chǎng)，造成鑄件在凝固過(guò)程中脹縮同步的條件，提高了兩端冒口的補(bǔ)縮效率。③為保證鑄件在需要補(bǔ)縮之前冒口有足夠的高溫鐵液補(bǔ)縮，在澆注后不斷用高溫鐵液點(diǎn)補(bǔ)冒口，既保證補(bǔ)縮通道的暢通，又保證了補(bǔ)縮量。

七、實(shí)踐效果

25MN壓力機(jī)是我公司的新產(chǎn)品，要求非常嚴(yán)格，所以既要保證鑄件強(qiáng)度性能及外觀(guān)尺寸、質(zhì)量的要求，又要便于工人操作，采用半封閉式澆注系統(tǒng)、頂注快澆工藝、倒包澆注、冷筋出氣冒口與明頂冒口結(jié)合應(yīng)用等工藝，生產(chǎn)出的鑄件經(jīng)清理后外觀(guān)平整光滑，無(wú)粘砂、砂眼等缺陷，經(jīng)檢驗(yàn)化學(xué)成分、力學(xué)性能、外觀(guān)質(zhì)量均達(dá)到了技術(shù)要求，鑄件經(jīng)超聲波檢測(cè)無(wú)縮孔、縮松、冷隔、裂紋等缺陷，加工后（見(jiàn)圖7）也未發(fā)現(xiàn)任何鑄造缺陷，在熔煉能力不足的情況下，成功鑄造出高品質(zhì)、高工藝出品率的合格大型鑄件，證明工藝設(shè)計(jì)是成功的，實(shí)現(xiàn)了我公司在生產(chǎn)大型鑄件上的技術(shù)突破。

圖7 立柱加工后狀態(tài)