一种箱式床身铸件的工艺改进

郭新光，豆建民

（共享装备股份有限公司，宁夏银川 750021）

卧加床身是大型机床的重要部件，它承载着机床其他部件的载荷，也是机床的核心骨架，其质量对机床的精度、性能及使用寿命有直接的影响[1，2]。箱式床身作为大型铸件，其油箱部位是此产品的命脉，在薄壁油箱部位容易出现芯撑融合不良、呛气孔等缺陷，产品进行试漏后出现漏油情况，缺陷严重时可致使铸件报废[3]。本文以公司生产的某种床身为研究对象，针对前期出现的质量问题，通过工艺改进，确定出合理的铸造工艺。

1 箱式床身的结构与质量要求

箱式床身具体结构图如图1 所示，材质为HT300，铸件重量为2989 kg,该产品轮廓尺寸为：3100 mm×1265 mm×785 mm, 铸件主要壁厚15 mm，最大壁厚90 mm，最小壁厚15 mm。该铸件要求加工面不得有夹砂、气孔、夹渣、冷隔等缺陷，油腔部位不能有缺陷，且导轨硬度必须大于183 HBN，不允许出现组织疏松、硬度不合格等质量问题，其他外观面不得有较明显的砂眼、粘砂以及鼓包等影响外观质量的缺陷。

图1 床身结构图

2 原工艺及铸件质量问题分析

2.1 原工艺

针对该铸件的技术质量要求，工艺上我们采取了导轨面冲下，底面及油箱面朝上的工艺方法，同时铸件全在上箱面，横浇道下面放置过滤网，减少渣子等脏物流入型腔，内浇道从导轨面及重要加工齐子面引入，使铁水平稳、均匀的进入型腔，从而保证内腔砂芯稳定，便于尺寸控制，同时也有利于冒口补缩。

（1）熔炼参数

原材料配比如表1 所示。同时通过原铁水成分调整，使主要成分的控制范围达到表2 的要求。铁水熔化温度不高于1380 ℃，过热温度为1490～1510 ℃，浇注温度控制在1370～1390 ℃。采用二级孕育槽进行孕育处理，孕育剂为0.5%的SiFe（粒度为3～10 mm）。浇注时在包内加入0.1%的SiFe（粒度为3～10 mm）进行浮硅孕育，保证铸件的Si 含量控制在1.7%～1.8%，C 含量控制在3.05%～3.15%。

表1 原材料配比

表2 原铁水成分要求 w/%

（2）浇注系统

采用开放、底返式浇注系统，内浇道由底面引入，具体布置如图2 所示。浇注系统比例为：ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=1∶1.56∶1.53，直浇道ø90 mm、横浇道（105 mm+84 mm）×105mm、内浇道ø35 mm×4/ø50 mm×3（ø35 横截面积3848 mm2、ø50 横截面积5890 mm2）。工艺采用8 个S100 mm 和2 个S80 mm 球冒口，不放置冷铁。

图2 原工艺浇注系统

2.2 铸件质量问题

（1）按照上述工艺生产了13 件铸件，4 件硬度为164～176 HBN，低于顾客要求，检测金相，发现珠光体含量只有80%～90%，其他硬度合格的产品，硬度也集中在180～185 HBN，风险比较大。

（2）生产的铸件上箱面夹砂较多，基本每件均要焊修，增加了后续清理难度和返修成本。

（3）按照上述工艺生产，浇注过程中呛火严重，由于呛火报废7 件，废品率达到了53.8%。呛火后的铸件照片如图3 所示，圈出来的地方为具体呛火及芯撑融合不良位置，焊修后PT 检测不合格。

图3 铸件呛火及芯撑融合不良的外观

2.3 原因分析

（1）铸件材质为HT300，由于壁厚偏差较大，浇注缓慢且浇注温度比较低，在开放式的浇注系统下铸件容易出现冷隔、组织疏松、硬度不合等缺陷。由于结构的原因，相同材质的铁水浇注其他产品质量均较为稳定，但是在此产品上出现了硬度不合格的质量问题。珠光体量不足，很有可能是促进珠光体生成的化学元素含量不够，同时CE 值过高也促进铁素体的生成。

（2）上箱面夹砂问题主要是因为：一是由于上箱面均是平面，下芯间隙小，砂芯涂料层控制不好，在下芯过程蹭砂，并且上箱面溢流冒口少，浇注后容易出现夹渣物。二是由于该铸件结构特殊，上箱面减重孔及穿线孔集中在一端，油箱一侧面几乎无减重孔。实际生产过程中使用芯撑较多，下芯时容易蹭砂，散砂清理不干净导致铸件夹砂。

（3）浇注时的呛火问题倾向性出现在10#、11#芯位置，具体如图4 所示。10#、11#芯下侧有芯头固定，上侧面完全靠芯撑支撑固定，且接触面较大，无法有效固定，这两块砂芯在铁水的冲击下，都容易出现晃动导致呛火问题的发生。

图4 铸件呛火位置与砂芯的对应

（4）使用普通芯撑后，出现融合不良，由于浇注时出现过区域浇注，浇注温度得不到有效保证，导致出现芯撑融合不良缺陷，具体如图5 所示。

图5 铸件芯撑位置与砂芯融合不良的对应

3 工艺改进措施及结果

3.1 改进措施

（1）熔炼工艺改进

由于提高废钢的比例对铸件的硬度有利，在铁水熔化配料时适当的提高了废钢的比例；为了保证珠光体的含量，把Mn 的控制中值由0.65%提高到0.95%，把C 的控制中值由3.12%降低为3.07%，Si 的控制中值由1.75%降低为1.71%；浇注温度调整为1380～1400 ℃，其他熔炼参数保持不变。

（2）铸造工艺改进

由于此铸件结构的特殊性，原有3D 工艺采用下芯后顶面顶芯撑方式，8#和11#砂芯无法有效固定，12# 芯通过压芯撑来固定8# 和11# 砂芯，无法彻底解决浇注时砂芯晃动引起的呛火问题，同时容易蹭砂导致铸件夹散砂。为了彻底解决呛火和夹砂芯撑融合不良问题，此产品直接修改为3D 打印标芯方式生产。砂芯采用“标芯方式”生产，将不好固定的8#和11#砂芯芯头部位设计成预埋螺杆方式，下芯前通过螺杆将6#芯与10#砂芯连接固定在一起，7# 砂芯上首先预埋上ø20 mm 长度650 mm 两根标杆，将11#芯通过7#砂芯螺杆使其固定。通过标芯方式减少芯撑的使用，具体如图6 所示。对其余砂芯之间的间隙由1 mm调整为1.5 mm。上箱面上增加了溢流冒口由原来10 个增加到16 个，出气面积多出5850 mm2，具体如图7 所示。采用3D 打印标芯工艺后，生产成本有了明显将低，过程操作简单，铸件质量得到有效保证，现场生产效率明显提高。同时由于3D 打印砂芯的精度高，表面质量好，组芯过程间隙适中，铸件皮缝小，铸件外观质量有明显提升。

图6 修改后标芯对应工艺图

图7 修改后浇注系统

3.2 改进结果

按照上述改进工艺连续生产了40 件该产品，铸件基体组织中珠光体含量≥95%，抗拉强度315～335 MPa，实体硬度达到了183～192 HBN，满足了顾客材料对质量的要求。同时浇注过程平稳，浇注温度在1380～1400 ℃未发生呛火现象，铸件未出现夹渣、夹砂，芯撑融合不良等缺陷，改进效果非常明显，废品率控制在1.5%以下。

4 结论

箱式床身的生产，有其特殊的地方，经过长时间的摸索，逐步总结出一套关于油箱薄壁箱式铸件的生产工艺，并应用于生产实践中。其主要内容有：工艺采用油箱部位不顶芯撑，铸件全在上箱，横浇道下放置过滤网；为了保证珠光体的含量，严格控制Mn、C、Si 的含量；浇注温度确保为1380 ℃以上，72 h 后方能吊运打箱。