排钻底座铸件铸造工艺探析

崔希文

河南工业大学工程训练中心 河南郑州 450001

1 序言

排式钻床简称排钻，是在一个排钻底座台面上安装4个钻床机头，分别用于钻孔、扩孔、铰孔或攻螺纹等操作，将多道工序集中到一台设备上完成，减少加工过程中周转环节，提高工作效率。排钻底座作为排钻的关键部件之一，对其内在质量、台面硬度、整体刚性、台面平面度及外观效果都有较高的要求。铸件生产中最容易出现的是油槽部位尺寸误差大、油槽外沿产生冷隔，筋板处出现掉砂缺陷，以及台面出现组织疏松等。因此，需制定合理的工艺方案，并通过试产、工艺调整及量产，生产出合格铸件，大幅度提高成品率。

2 铸件结构特点及技术要求

排钻底座零件三维结构如图1所示。铸件重约500kg，最大轮廓尺寸为1800mm×606mm×100mm，最小壁厚12mm，最大壁厚42mm；上部台面是零件加工时的基准面，尺寸1700mm×508mm，有较高的平面度要求，且要求高硬度、耐磨；为防止台面变形，增加铸件刚性，采用多筋板结构，但因筋板深度大，所以铸型上凸起的砂块易脱落，从而产生掉砂缺陷；底座四周为一冷却油槽，槽形圆弧半径为R16mm，油槽外沿半径为R8mm，两圆弧平滑过渡。油槽部位是成形的难点，造型起模时砂型易松动带掉，修型易“走形”，造成“形状误差”超差，油槽外沿部位易产生冷隔缺陷等。

图1 排钻底座三维结构

3 筋板结构及连接方式

为保证排钻底板刚性，避免零件加工过程中台面在外力作用下产生变形，对零件的加工精度造成影响，内腔设计了较为密集的筋板（见图1）。多筋板交接，各筋板交接处采用何种形式连接更好，方案有以下2种。

1）各筋板直接交叉，尖角处圆弧过渡，如图2a所示，各独立筋板的热节圆直径（d）为16mm；3筋板呈“米”字相交后，交接处形成的热节圆直径（d1）约为48mm（圆角半径R8mm）。显然d1要远大于d，那么在浇注后，交接处金属液的凝固要远滞后于筋板部位，这就很容易在此形成热裂缺陷。

图2 筋板热节

2）以多筋板中线交点为圆心，设计一个直径100mm的圆环，各筋板与圆环成“T”字形连接，如图2b所示。那么，筋板与圆环交接处的热节圆直径（d2）为23mm（圆角半径R8mm），明显小于d1。显然，d＜d2＜d1，热节圆直径大大减小，与筋板厚度16mm较为接近，冷却速度较为一致，铸件质量将明显改善。因此，在排钻底座内腔出现多筋板相互交接时，多采用环状接头设计（见图3），以满足铸件质量要求。

图3 多筋板环状接头设计

4 铸造工艺设计

4.1 铸造方案确定

排钻底座铸造工艺如图4所示。

图4 排钻底座铸造工艺

依据铸件结构特点，采取粘土砂、两箱整模造型工艺，干型、干芯、一箱一型铸造。由于排钻底座上平面是主要工作面，面积大且质量要求高，故工艺设计时大平面朝下，处于铸型最低位置[1]。此铸件成形的难点在于周边的油槽部位，其成形方式有如下2种。

（1）实体模直接成形 依据铸件的结构特点，排钻底座铸件的油槽部位完全可以采用实体模直接成形。但排钻底座外形尺寸大，模样重量较大，造型起模过程中均要利用桥式起重机进行起吊，动作不好控制，振动大，相对于人工起模，型腔毁坏的更加严重，需要投入较大的工作量进行修型，尤其是油槽外沿部位砂型经常会带掉，或松动出现裂纹，大大增加了修型工作量。况且，修型后的型腔往往会“走形”，直接影响产品的外观效果，废品率较高。

（2）采用组芯法成形 在排钻底座铸型中，围台面四周设计一圈儿砂芯，铸件的油槽部位均在砂芯中形成。其中，有4个拐角芯、1个浇口芯、5个直芯（长度按实际需要截取），如图5所示。设计制作3个芯盒（拐角芯、浇口芯、直芯芯盒各1个）即可。直芯、拐角芯、浇口芯制好后，均在湿态下安装到砂型的对应位置，各接缝处用型砂修好，再统一涂刷铅粉涂料、烘干。这样形成的砂型质量更为理想，油槽部位外形与设计造型更接近。显然，采用组芯法成形更易操作，外观效果也更为理想。砂芯组装后的砂型如图6所示。

图5 砂芯设计

图6 砂芯组装后的砂型

4.2 浇冒口系统的确定

浇注系统设计的合理与否，冒口设置是否恰当，对铸件的质量及成品率有极为重要的影响。浇注系统的设置有以下2种方式。

（1）顶注式浇注系统（分型面侧注） 在分型面上设置浇注系统，由铸件端头、型腔的最高位置引入高温金属液。金属液充型时可能会有少部分金属液流到油槽“沿部”，而绝大部分金属液流到型腔下部底面，由于底面面积大，因此金属液上升到油槽高度位置需要的时间较长，在此时间段内，油槽沿部的金属液，由于量少，可能已凝固，也可能刚开始凝固，表面已有氧化膜形成[2]。遇到高温金属液之后，很难熔合到一体，便形成了冷隔缺陷，废品率较高。

（2）底注式浇注系统 充型时金属液首先流入型腔底面，自下而上充满型腔，待液面上升至油槽高度位置时，可短时间内快速充满。在整个充型过程中，金属液流动平稳，避免了“会有少量金属液首先进入油槽外沿部位”的现象。

显然，选用底注式系统浇注铸件是首选方案。制作一个浇口芯，金属液由铸件端头引入型腔底部，平缓地自下而上充满型腔。浇注系统各组元比例取为：∑F内∶∑F横∶∑F直＝1∶1.4∶1.15 ，∑F内＝4×3.96cm2，∑F横＝2×11.8cm2，∑F直＝18cm2（φ48mm），浇注系统如图7所示。

图7 浇注系统

铸件中心圆台厚度40mm，易产生缩孔缺陷，因此在圆台上设置1个φ70mm×200mm冒口；周边3个凸起的加工面（排钻腿安装基面）部位厚度较大，在中间位置各设置1个φ70mm×200mm冒口，对铸件最后凝固部位进行补缩。

4.3 铸造工艺参数确定

排钻底座大平面处于浇注位置的底面，质量易于保证，加工余量设置为6mm，上面3个突台易出现出现砂眼、夹渣缺陷，因此加工余量设为8mm，铸件的收缩率取1%。

4.4 造型工艺

排钻底座内腔密集的筋板设计给造型操作带来了一定的困难，筋板密而高，造型起模时筋板之间的型砂块很容易被带掉。为此，在模样设计时，筋板部分可作如下处理：纵横两方向主筋板与模样体之间采用固定连接，斜筋板可做成活动式，待分型后再松动、起出，以免分型时将上型凸起部分砂块带掉。

造型操作时，形成内腔形状的凸起部分带在上型，如直接将上型起开，凸起部分易于断掉，修型工作量增大。造型可采取如下操作：造好下型，在放置上箱之前，先前后左右松动模样，然后放置上箱，造上砂型，再将上下型一起翻转180°，起开下型，松动模样后，将模样从上型上吊起，保证凸起部分砂型完好。同时注意在凸起的砂块上插钉子加固，以免产生“掉砂”缺陷。

4.5 熔炼与浇注

1）铁液化学成分：wC＝3.3%，wSi＝1.85%，wMn＝0.8%，wS＝0.05%，wP＝0.1%。

2）炉前控制：三角试片，白口控制在4 ～5mm。当白口大时，可在出铁槽加75SiFe进行孕育处理；当白口小时，可以改浇其他薄壁铸件，避免铸件台面产生组织疏松缺陷。

3）出铁温度：出铁温度控制在1430℃。

4）浇注温度：浇注温度控制在1 3 6 0 ～1390℃，浇注时，要注意扒渣引气。

5 投产试验与工艺完善

首批投产5件，进行试验。造型、制芯、组装砂芯（湿态）、修型后形成砂型（见图6），然后涂刷铅粉涂料并烘干，经合型、浇注、冷却凝固及落砂清理，得到排钻底座铸件5件，交付检验。

1）废品分析。检验中发现，5件中有4件成品，1件油槽沿部出现冷隔缺陷，冷隔高约10mm、长约160mm。倒查铸件打箱情况，直浇道与铸件之间有较厚的飞边形成，由此可见，直浇道与型腔之间分型面间隙较大，浇注时金属液会由此进入，流至油槽沿部并迅速冷却凝固，然后遇高温金属液仍不能很好地熔合到一起，便形成了冷隔缺陷。

2）工艺完善。合型操作时，在分型面上用石棉绳围在直浇道周围，将分型面间隙封死，保证浇注时高温金属液完全由型腔底部进入，自下而上充满型腔，彻底解决铸件冷隔缺陷。

工艺调整后，又陆续投产数批，共计生产排钻底座铸件120件。经检验，外观效果理想，无冷隔及掉砂等铸造缺陷，尺寸误差、形状误差均符合要求，废品率控制在3%之内。

6 结束语

对于重量及外形尺寸较大铸件上尺寸精度、外观效果要求较高的部位，利用砂芯成形效果理想，形状误差小。浇注时浇注系统选用要能使金属液流集中、流动平稳，可有效地避免冷隔、铁豆缺陷形成。