介紹了數(shù)控內(nèi)圓磨床工作臺(tái)鑄件原工藝方案，并指出該方案在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。經(jīng)分析認(rèn)為, 改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)是解決問(wèn)題的最佳途徑。在不改變外形機(jī)械加工尺寸的前提下，改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，調(diào)整工藝方案，使諸多問(wèn)題得以解決，生產(chǎn)出合格的工作臺(tái)鑄件，從而達(dá)到降低生產(chǎn)難度、節(jié)約金屬材料、降低生產(chǎn)成本，以及提高成品率的效果。

關(guān)鍵詞：工作臺(tái)；模板造型；粘砂；共晶度；成品率

1 序言

工作臺(tái)作為M2210型半自動(dòng)內(nèi)圓磨床的關(guān)鍵部件，對(duì)鑄件的內(nèi)在質(zhì)量、尺寸精度、整體強(qiáng)度及剛度等都有較高的要求，尤其是2條導(dǎo)軌，為保證其耐磨性，還要求具有較高的硬度(＞190HBW），不允許有任何鑄造缺陷。因此，本文針對(duì)工作臺(tái)鑄件在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和鑄造工藝，保證鑄造質(zhì)量，具有重要意義。

2 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)狀況

鑄件重190kg， 材質(zhì)HT200， 輪廓尺寸為1400mm×300mm×100mm，三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。原工藝生產(chǎn)時(shí)存在一些非常棘手的問(wèn)題，如主砂芯制作難度大，耗費(fèi)工時(shí)多；雖然導(dǎo)軌硬度合格，但矩形方框邊緣、導(dǎo)軌側(cè)邊緣、淌水孔沿（見圖2）等薄壁處出現(xiàn)麻口或白口組織，致使加工難度大，以及工作臺(tái)內(nèi)腔靠近平導(dǎo)軌一側(cè)粘砂嚴(yán)重、清理難度大等。為得到力學(xué)性能優(yōu)良、無(wú)鑄造缺陷的機(jī)床工作臺(tái)鑄件[1］，多年來(lái)一直進(jìn)行著各種嘗試，效果不甚理想。經(jīng)研討、分析認(rèn)為，改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)是解決上述問(wèn)題的最佳途徑。征得設(shè)計(jì)人員同意，在不改變外形尺寸的前提下，改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，調(diào)整工藝方案，使諸多問(wèn)題得以解決，生產(chǎn)出合格的工作臺(tái)鑄件，從而達(dá)到降低生產(chǎn)難度、節(jié)約金屬材料、降低生產(chǎn)成本，以及提高成品率的效果。

3 原鑄造工藝方案及存在的問(wèn)題

3.1 原鑄造工藝方案

原鑄造工藝（見圖3）采用粘土砂、兩箱分模造型，導(dǎo)軌面朝下，干型干芯，分模面、分型面為同一平面，位置如圖4所示。上下模做成模板形式，以保證其剛度，減少變形。工作臺(tái)內(nèi)腔形狀復(fù)雜，共由3個(gè)砂芯形成。1#、2#砂芯（見圖5）長(zhǎng)675mm，拼到一起形成工作臺(tái)內(nèi)腔的主體部分。3#砂芯為淌水孔砂芯。

澆注系統(tǒng)設(shè)置在工作臺(tái)的端頭，內(nèi)澆道正對(duì)著2條導(dǎo)軌開設(shè)，充型更為順暢。橫澆道設(shè)置在上型，橫澆道與內(nèi)澆道之間設(shè)置一離心式集渣包，以增強(qiáng)除渣效果。上型2個(gè)380mm×44mm×（45～49）mm矩形凸臺(tái)（中間銑有梯形槽）是磨架的安裝基礎(chǔ)，該部位截面厚大，易產(chǎn)生縮松、縮孔等收縮缺陷。凸臺(tái)上各設(shè)置1個(gè)φ 70mm×200mm明冒口，對(duì)該部位進(jìn)行補(bǔ)縮（見圖3）。

鐵液成分為：wC＝3.35%，wSi＝1.8%，wMn＝0.9%，wS＝0.05%，wP＝0.1%。出鐵槽75SiFe孕育處理。澆注時(shí)間為30s，澆注溫度為1400～1450℃。

3.2 生產(chǎn)中存在的問(wèn)題及產(chǎn)生原因分析

（1）生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

1）問(wèn)題1：導(dǎo)軌部位達(dá)到硬度要求，而其他薄壁部位，如矩形方框沿、導(dǎo)軌側(cè)沿、淌水孔沿、尾部2個(gè)φ 30mm×50mm工藝臺(tái)部位，出現(xiàn)麻口甚至白口組織，造成后道工序機(jī)械加工困難的現(xiàn)象，廢品率近15%。

2）問(wèn)題2：1#、2#砂芯兩翼部（見圖5中A、B區(qū)域）截面厚度小，尤其是平導(dǎo)軌一側(cè)（B部位）截面厚度僅16～18mm，強(qiáng)度較低，制芯及烘干時(shí)很容易斷掉，往往要多準(zhǔn)備1～2個(gè)砂芯，以備合箱時(shí)替換。

3）問(wèn)題3：工作臺(tái)內(nèi)腔，尤其是內(nèi)腔左側(cè)區(qū)域很容易出現(xiàn)粘砂缺陷。工作臺(tái)左側(cè)內(nèi)腔區(qū)域最小空間高度僅為16～18mm，清理工具很難進(jìn)入操作，芯砂清理難度大，耗費(fèi)工時(shí)多。

（2）產(chǎn)生原因分析

1）由于冷卻速度的差異，因此鑄件上不同壁厚部位力學(xué)性能是不同的。導(dǎo)軌是工作臺(tái)最關(guān)鍵的部位，導(dǎo)軌的硬度等性能指標(biāo)必須優(yōu)先保證。因?yàn)楸诤駪沂?，確定化學(xué)成分時(shí)若保證了導(dǎo)軌的硬度要求，其他薄壁部位就很容易出現(xiàn)麻口或白口組織，所以會(huì)造成加工困難或無(wú)法加工[2］。

根據(jù)原鐵液化學(xué)成分，鐵液的共晶度Sc值可由公式Sc＝C/［4.3－0.3（Si+ P）］計(jì)算得出，共晶度Sc值為0.9。共晶度Sc與鑄件形成白口組織的臨界壁厚之間的關(guān)系如圖6所示[3]。由圖6可看出，隨共晶度值增加，鑄鐵材料形成麻口組織、白口組織的臨界壁厚逐漸減小。當(dāng)共晶度Sc值為0.9時(shí)，鑄件形成灰口組織的臨界值為15mm，形成白口的臨界值為10mm。也就是說(shuō)，共晶度為0.9時(shí)，鑄件的壁厚＞15mm，即可得到灰口組織；壁厚＜10mm時(shí)，鑄件將會(huì)產(chǎn)生白口組織；壁厚在10～15mm，會(huì)形成麻口組織。工作臺(tái)矩形方框沿厚度為12mm，導(dǎo)軌側(cè)沿(含加工余量5mm)厚14mm，均處在麻口區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生麻口組織；淌水孔沿厚8mm，小于白口臨界值10mm，顯然會(huì)產(chǎn)生白口組織，出現(xiàn)無(wú)法加工的現(xiàn)象。好在淌水孔沿高度不大，僅20mm高；尾部2個(gè)φ 30mm×50mm工藝臺(tái)，散熱面積相對(duì)較大，偶爾也會(huì)出現(xiàn)加工困難現(xiàn)象，這些與實(shí)際情況比較吻合。金屬液熔煉完成，澆注前進(jìn)行的孕育處理確實(shí)起到了很好的作用，可有效地避免薄壁部位的過(guò)硬現(xiàn)象。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于爐料成分、熔爐溫度的波動(dòng)，以及孕育失效等情況的影響，因此仍會(huì)出現(xiàn)薄壁部位過(guò)硬現(xiàn)象，廢品率達(dá)15%左右，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2）芯砂燒結(jié)到鑄件上，清理不掉，即產(chǎn)生粘砂缺陷。鑄件兩壁之間的砂芯厚度，一般應(yīng)當(dāng)不小于兩邊壁厚的總和，以免兩壁熔接在一起[4]，這是鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則。工作臺(tái)內(nèi)腔左右側(cè)區(qū)域高度尺寸?。ㄒ妶D2），尤其是左側(cè)區(qū)域，高度尺寸僅有16mm左右（寬度近70mm），遠(yuǎn)小于兩邊壁厚的總和。形成此局部?jī)?nèi)腔的1#、2#砂芯的懸伸部分形狀扁薄，且該部位還處于厚大金屬截面的包圍之中，使砂芯局部熱量集中，其正常的性能因而受到破壞[5]。砂芯表面提前潰散，使金屬或金屬氧化物易于滲入，從而形成粘砂。況且落砂清理時(shí)，由于該部位內(nèi)腔高度過(guò)于狹小，清理工具無(wú)法操作，芯砂很難清理出去，清理工作量很大。這種未清理徹底的工作臺(tái)，一旦裝到機(jī)床出廠使用，砂粒受到振動(dòng)而脫落，濺到導(dǎo)軌面或浸入液壓缸，將會(huì)造成機(jī)床導(dǎo)軌面或油缸研損。

由以上分析可看出，問(wèn)題1是鑄件壁厚懸殊所致，問(wèn)題2、問(wèn)題3是內(nèi)腔空間高度偏小造成的，這些均與鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。經(jīng)征得設(shè)計(jì)人員同意，決定在外形機(jī)械加工尺寸保持不變的前提下，對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使鑄造生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種難題得以解決。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及工藝方案調(diào)整

4.1 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1）導(dǎo)軌部位（包括平導(dǎo)軌、△導(dǎo)軌）厚度偏大，在外形機(jī)械加工尺寸保持不變的情況下，適當(dāng)增大內(nèi)腔左側(cè)區(qū)域高度尺寸，使導(dǎo)軌部位變薄，平導(dǎo)軌厚度由原尺寸減為14mm；內(nèi)腔右側(cè)區(qū)域隨著△導(dǎo)軌外形作出相應(yīng)的改變，保證其垂直壁厚為14mm，改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖7所示；安裝齒條的基準(zhǔn)面——3個(gè)小平臺(tái)（見圖1）局部加厚，保證應(yīng)有的強(qiáng)度。這樣改進(jìn)之后，導(dǎo)軌壁厚19mm（含加工余量）與矩形方框沿、導(dǎo)軌側(cè)沿及其他薄壁部位的厚度就比較接近了，使原設(shè)計(jì)的壁厚懸殊情況得以改善。工作臺(tái)內(nèi)腔高度最小區(qū)域尺寸由原來(lái)的16～18mm增加到30～32mm（平導(dǎo)軌側(cè)）。砂芯截面增大后，強(qiáng)度得到保證，制作時(shí)也會(huì)更容易，包括砂芯用的芯骨，制作難度也大幅降低。

2）工作臺(tái)尾部2個(gè)φ 30mm×50mm工藝臺(tái)，改為寬30mm、高50mm，且與兩圓臺(tái)中心距等長(zhǎng)的矩形凸臺(tái)，以延緩該部位的冷卻速度，避免造成過(guò)硬，改善機(jī)械加工性能。

4.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的工藝方案

鑄件結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，改善了鑄件壁厚懸殊狀況，其鑄造工藝方案也隨之作出相應(yīng)的調(diào)整， 如圖8所示。

在原鑄造工藝基礎(chǔ)上，做出如下調(diào)整。

1）形成工作臺(tái)外部輪廓形狀的模型、模板等，均維持原狀。

2）形成工作臺(tái)內(nèi)腔形狀的3個(gè)砂芯中，僅對(duì)1#、2#砂芯的芯盒進(jìn)行相應(yīng)改造。平導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)部位內(nèi)腔高度增大，使導(dǎo)軌部位減薄至19mm；△導(dǎo)軌部位內(nèi)腔隨著導(dǎo)軌外形作出相應(yīng)改變，保證其垂直壁厚為19mm，芯盒中該部位采用活塊結(jié)構(gòu)。

3）造型時(shí)，在工作臺(tái)960mm×280mm矩形方框邊沿（淌水孔一側(cè)）、縱向中點(diǎn)處設(shè)置1個(gè)鴨嘴形溢流冒口[6］（冒口尺寸50mm×50mm×200mm，冒口頸截面50mm×8mm，頸部高8～10mm），以排出型腔內(nèi)氣體，同時(shí)可溢出矩形方框邊沿（淌水孔附近）部位的冷鐵液。在冷鐵液由方框邊沿溢出的同時(shí)，加熱了該部位的型砂，減緩了附近區(qū)域鐵液的冷卻速度，對(duì)避免麻口或白口組織產(chǎn)生有一定的作用。

4）鑄鐵成分調(diào)整。結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后，工作臺(tái)鑄件各部位壁厚懸殊狀況得以改善。在成分確定時(shí)既要保證導(dǎo)軌部位的硬度要求，同時(shí)又要兼顧薄壁部位的加工性能。最終選用化學(xué)成分為：wC＝3.4%，wSi＝1.8%，wMn＝0.85%，wS＝0.05%，wP＝0.1%；孕育處理分2次進(jìn)行，第一次為75SiFe隨流孕育，粒度2～5mm，出鐵時(shí)在鐵液槽內(nèi)進(jìn)行，加入量0.1%～0.2%；第二次采用SiFe75浮硅孕育，加入量0.2%左右，塊度30～60mm，放入澆包遠(yuǎn)離包嘴的后側(cè)，覆蓋珍珠巖保溫、集渣，形成保溫層后切勿攪動(dòng)，使其在澆注的中后期緩慢熔化形成富硅層，在第一次孕育衰退時(shí)發(fā)揮作用，以保證孕育效果良好。

5 工藝生產(chǎn)驗(yàn)證

首批投產(chǎn)數(shù)量5件。

準(zhǔn)備好工裝、型砂、芯砂，按工藝要求進(jìn)行造型、制芯（1#～3#砂芯），3#芯濕態(tài)安裝至上型淌水孔位置，并擠緊兩芯頭；砂型、砂芯涂刷鉛粉涂料后裝窯烘干；清理型腔、清掃砂芯表面浮灰，檢查外形、尺寸；下芯、驗(yàn)箱、放置芯撐、合型及卡緊等，完成合型操作；熔化金屬液，出鐵溫度1490℃，出鐵槽75SiFe孕育處理，爐前三角試片檢測(cè)，白口5～6mm；澆注溫度1400～1450℃，澆注時(shí)間25s，澆注時(shí)應(yīng)作好擋渣、引火；冷凝、落砂清理，得到工作臺(tái)鑄件5件。

交檢工作臺(tái)5件，逐一進(jìn)行導(dǎo)軌硬度檢測(cè)，在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上抽檢任意3點(diǎn)硬度，實(shí)測(cè)值為192～215HBW，符合設(shè)計(jì)要求。抽檢工作臺(tái)矩形方框沿、導(dǎo)軌側(cè)沿等薄壁部位硬度，最高硬度值為238HBW。對(duì)工作臺(tái)各部位的形狀誤差、尺寸精度進(jìn)行檢測(cè)，均在誤差技術(shù)要求范圍內(nèi)，合格。

后又生產(chǎn)多批，效果良好，廢品率基本控制在3%以內(nèi)。

6 生產(chǎn)效果

1）結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，工作臺(tái)鑄件導(dǎo)軌硬度符合設(shè)計(jì)要求，各部位硬度相對(duì)比較均勻。對(duì)機(jī)械加工過(guò)程進(jìn)行跟蹤了解，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌面組織致密，金屬光澤理想，矩形方框沿及其他薄壁部位加工性能良好，未出現(xiàn)加工困難或無(wú)法加工現(xiàn)象。

2）結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，工作臺(tái)鑄件重量由原來(lái)的190kg變?yōu)?45kg，每件減重45kg，按每噸5000元計(jì)，每件節(jié)省225元。

3）結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，鑄件內(nèi)腔空間高度增大，1#、2#砂芯兩翼部位增厚，強(qiáng)度增高，制作更容易。另外，內(nèi)腔高度增大后，砂芯清理也更方便，制芯、清理工時(shí)明顯減少。

7 結(jié)束語(yǔ)

1）改進(jìn)不合理的鑄件結(jié)構(gòu)，可降低鑄造生產(chǎn)的難度，降低生產(chǎn)成本。

2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免壁厚厚薄懸殊情況的出現(xiàn)，尤其是對(duì)硬度有嚴(yán)格要求的機(jī)床類鑄件。

3）設(shè)計(jì)的鑄件內(nèi)腔，要便于鑄件型芯制作，易于砂芯清理；內(nèi)腔的高度（即砂芯的厚度）應(yīng)大于兩邊壁厚的總和。