M224型内圆磨床工作台铸件的铸造技术

崔希文

河南工业大学工程训练中心 河南郑州 450001

1 序言

M224型半自动内圆磨床是郑州第二机床厂的主要产品之一，在机械制造行业有较为广泛的应用。M224型内圆磨床工作时，由装在头架主轴上的卡盘夹持工件作圆周进给运动，进给机构带动横向滑板、头架及旋转工件作径向进给运动，往复液压缸拖动工作台、带动砂轮架及高速旋转的砂轮沿床身导轨作纵向往复运动，以完成工件内孔的磨削。其中，工作台起着比较关键的作用，工作台的质量、运动的平稳性及运动精度直接影响到内孔磨削的几何精度。为了得到力学性能优良、无铸造缺陷的机床工作台铸件，工艺方案的设计十分重要[1，2]。通过结构工艺分析，确定工艺方案，合理造型、制芯，恰当地设计浇冒口，选择合适的铁液成分，可生产出合格的工作台铸件。

2 工作台铸件的结构特点

M224磨床工作台铸件如图1所示，上部2个380mm×44mm矩形凸台是磨架的安装基础, T形槽用以压紧磨架，该部位要求组织致密，具有良好的力学性能和较高的精度。960mm×280mm矩形方框内相当于一个容器，用以回收切削液，底面为一曲面，其形状应便于切削液排出，且不得渗漏；工作台下部有2条导轨（平导轨和△形导轨），是机床精度保证的关键部位，该部位截面厚大，为保证耐磨，硬度要求为180HBW以上，不允许出现气孔、渣眼等任何铸造缺陷；工作台内腔各筋板纵横交错，结构复杂，且要安装往复液压缸、齿条等部件，尺寸精度有较高要求。零件重190kg，材质HT 200，最大轮廓尺寸为1350mm×300mm×100mm，最大壁厚45mm，最小壁厚12mm。首先，虽然工作台整体重量不大，但结构复杂、要求高，铸造生产技术难度大，主要表现在工作台导轨部位硬度要求高 （180HBW以上），因为壁厚悬殊，所以要保证厚大导轨部位的高硬度要求，其他薄壁部位就很容易产生白口，造成加工困难。其次，工作台质量要求高，尤其是导轨部位，不允许有气孔、渣眼等任何铸造缺陷。这就对造型、制芯工艺及浇注系统的设计提出了更高的要求。

图1 工作台零件三维结构

3 铸造工艺设计方案

3.1 确定浇注位置、分型面

铸件重要的加工面应朝下，是浇注位置选择的重要原则。导轨面是机床精度保证的关键部位，不允许有任何铸造缺陷，因此应置于浇注位置的下部，力学性能、质量要求最容易得到保证。工作台的内腔形状靠2个大砂芯形成，在下型留出芯头，砂芯的定位与固定也比较容易实现。

由于两个380mm×44mm矩形凸台是铸件上相对厚大部位，因此置于浇注位置的上部，利于实现顺序凝固，便于明冒口设置，利于渣气的排出。工作台铸件铸造工艺如图2所示。

图2 工作台铸件铸造工艺

工作台铸件采用分模造型，干型、干芯，分模面、分型面位置如图3所示。鉴于模样分开后，高度尺寸小，长度尺寸大，模样刚性差，易于变形、毁坏等因素，故将上下模作成模板形式，工作台的上沿、下沿、淌水口等截面窄小部位用铝合金加工成形，镶在模板上，以保证使用寿命。 同时内浇道、横浇道、集渣包及浇口窝等均按尺寸要求做好，并固定安装在适当位置。砂箱的定位装置为定位销，定位销应固定在模板上，安装时应保证其轴心线与模板工作面（分模面）垂直。

图3 分模面、分型面位置

3.2 铸造工艺参数的确定

铸件上表面出现渣孔、气孔、砂眼缺陷的概率较高，这些缺陷往往会出现在上表面附近区域，因此应预留较大的加工余量（7.5mm），使这些缺陷在机加工时被切除掉，保证了工作台铸件完好。导轨面（位于浇注位置的底面）及侧面的质量更容易得到保证，机加工余量取值较小（5mm）。工作台上面及前侧面T形槽（宽16mm×深12mm），因尺寸较小不易铸出，故采用机加工成形效果更好。另外，在铸件表面还有较多的螺纹孔系，由于孔径较小，因此均不铸出[3]。收缩率1%，起模斜度1°，分型负数1mm，砂芯负数1mm（见图3）。

3.3 砂芯设计

由于工作台内腔要安装往复液压缸、齿条等，所以对内腔的尺寸精度有较为严格的要求。整体而言，工作台内腔形状复杂，高度空间小，纵向长度大，对砂芯制作提出了更高要求。工作台铸型共有4个砂芯。

（1）主砂芯（1#、2#砂芯） 形成工作台内腔的主砂芯长1320mm，为方便制作，将砂芯沿纵向分成2个即1#、2#砂芯，如图4所示。1#、2#砂芯的上表面为曲面，选芯头底面作为砂芯摆放或烘干时的基础面。两砂芯分开制作，刷涂料、烘干，合型时按要求拼装到一起。由于内腔高度尺寸小，砂芯两翼部分强度低、易断，因此需制作专用芯骨。

（2）淌水口砂芯（4#砂芯） 制好后（湿态）安装到上型对应位置，并用型砂挤紧，然后随铸型一起刷铅粉涂料、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，合型时安装到位。

图4 主砂芯

3.4 浇冒口系统设计

工作台铸件质量要求较高，采用带有离心式集渣包的浇注系统，利于金属液中夹渣的撇除。浇注系统各组元截面比为 ∑F内∶∑F横∶∑F直＝1∶1.6∶1.25。根据工作台铁液总量及壁厚情况，内浇口截面积计算值为7.6cm2，设置2个内浇道，截面28mm/34mm×12mm，位置定在工作台的端头，方向正对着2条导轨，充型更为顺畅。横浇道设在上型，∑F横＝6.1cm2, 截面20mm/24mm×28mm。横浇道与内浇道之间设置一离心式集渣包，集渣包尺寸为φ55mm/φ65mm×65mm。在横浇道中间位置设置一个直浇道，∑F直＝9.6cm2，直径为35mm，如图5所示。

上型两个380mm×44mm矩形凸台是磨架的安装基础，该部位截面厚大，易产生缩松、缩孔等收缩缺陷。两凸台中间位置各设置φ70mm×200mm明冒口1个，对其进行补缩，也利于气体的排出[4]。

图5 浇注系统

3.5 排气方案

（1）型腔排气 随着金属液注入，型腔内会有大量气体产生，这些气体往往会聚集在上型型腔的最高位置。因此，应在可能产生气体聚集的部位设置排气孔，利于型腔内气体的排出。工作台上沿应扎出数个排气孔，工作台尾部2工艺台上各扎出排气孔1个。2个380mm×44mm矩形凸台部分，会有气体聚集，可从φ70mm×200mm明冒口排出。

（2）砂芯排气 两大砂芯（1#、2#芯）制作时应放入适量焦炭，以利于砂芯气体的排出。在芯头上扎出与焦炭间隙相连通的出气孔，同时在下型芯头座上出气孔对应位置扎出排气孔。如此，砂芯受热产生的气体，首先集中到焦炭空隙，经过芯头排气孔与下型芯头座上对应排气孔排至铸型外大气中。为了防止高温金属液由芯头间隙流入1#、2#砂芯排气孔而将气道堵死，砂芯安装时应使用油泥将芯头座处排气孔周围封好。

3.6 化学成分的确定

化学成分是铸件力学性能的基本保证，化学成分的选择要满足铸件基本的强度、硬度要求等。为保证耐磨，工作台导轨部位有较高的硬度要求（高于180HBW，这一点必须保证），同时又要兼顾薄壁部位的加工性能，不能出现白口，以免造成加工困难。在确定化学成分时应注意以下几个方面。

1）在碳当量一定的前提下，选取较高的Si/C值，对铸件壁厚的敏感性较小。

2）S、P含量较低，防止裂纹产生。

3）原铁液wSi＝1.4%～1.7%，出铁槽75%碎硅铁孕育处理，处理后铁液成分为：wC＝3.2%～3.4%、wSi＝1.6%～2.0%、wMn＝0.7%～0.9%、wS＜0.15%、wP≤0.12%。

4 工艺生产验证

首批投产数量20件。

准备好模板、砂箱等，按工艺要求进行造型、制芯；砂型、砂芯涂刷铅粉涂料，并烘干；清理型腔、清扫砂芯表面浮灰，下砂芯、验箱、安放芯撑、合型、糊箱、装夹等，完成合型操作；酸性冲天炉熔化，出铁温度1490℃，炉前三角试片，白口6mm，75%碎硅铁孕育处理；浇注温度1440℃，浇注时间46s，浇注时应注意挡渣、引火；浇注冷却后打箱，取出铸件，去除浇口、冒口、飞边、毛刺，清除铸件表面及内腔型砂，交付检测。

5 检测结果

交检工作台20件，因出现明显气孔报废1件，后对剩余19件进行硬度检测，在导轨全长上抽检任意三点硬度，实测值在182～203HBW，符合设计要求。对工作台各部位的形状误差、尺寸精度进行检查，均在公差范围内。铸件进入机加工程序，又对工作台机加工过程及导轨面刮研过程进行了全程跟踪，发现导轨面组织致密，金属光泽理想，其他薄壁部位加工性能良好，综合废品率5%。后又生产多批铸件，废品率均控制在5%以内。

6 结束语

对于质量要求较高的铸件，在铸造工艺设计时，采用带有离心式集渣包的特殊浇注系统，能有效地防止渣孔缺陷的产生；对于截面高度尺寸小、长度大的铸件，分模造型时采取模板造型，能减少变形，保证铸件精度；低碳、硅含量，以及大孕育量处理能解决铸件壁厚悬殊时硬度偏差大的缺陷。