工程機械鑄鐵件工藝特性及質量控制

河北鋼鐵集團宣工公司 （張家口 075100） 常宏志

一、造型材料的選擇

由于工程機械類鑄件生產批量大，種類多，結構復雜，因此要求型芯砂有較高的強度。呋喃樹脂自硬砂工藝成熟，其配套設備系列化、標準化，原輔材料市場廣泛，其粘結劑樹脂加入量1.0%以下，成本較低，舊砂再生性好，回收率可達90%，因此從工藝性、成本控制和環保性考慮，呋喃樹脂自硬砂作為造型材料是最理想的選擇。采用呋喃樹脂砂生產的鑄件，粘砂、砂眼、皮下氣孔等缺陷明顯降低，尤其復雜砂芯可以不用芯骨，可簡化造型、制芯操作，生產效率大幅提高。

二、不同類別鑄件的工藝特點

1.箱體類鑄件

箱體類鑄件壁厚一般在10mm左右，屬于“皮薄餡大”類鑄件，砂鐵比高，容易產生氣孔、冷隔缺陷。因此，在進行該類鑄件工藝設計時，優先考慮“頂注”原則，采用開放式澆注系統，傾斜澆注，在澆口對面設置溢流冒口，起到排氣、收集冷鐵液的作用；上平面大口處盡量設計芯頭，以便砂芯中的氣體從上芯頭排出；充分利用透孔作為砂芯的支撐點，盡量避免芯撐的使用，以減少冷隔缺陷。典型件如T165推土機的罩蓋，鑄造澆冒口系統設計如圖1所示。

2.飛輪類鑄件

飛輪類鑄件直徑在500mm左右，壁厚40mm左右，此類鑄件屬于厚實體鑄件，容易出現縮孔、縮松缺陷，因此工藝重點是進行補縮。

補縮的方式一是用冒口補縮，采用熱冒口或邊冒口的方式，冒口體采用方形冒口，“扁、薄、寬”的冒口頸，但對于壓邊冒口來說，壓邊寬度不可太小，依筆者的經驗取12～16mm比較適合，既可有效補縮，又可防止局部過熱而產生縮孔；二是加冷鐵的方式，充分利用石墨化膨脹進行自補縮，這兩種措施相配合，厚實的輪類鑄件質量即可得到控制。但要規定冷鐵的使用次數，以免由于冷鐵表面氧化而導致其激冷能力下降和產生嗆火缺陷，一般來說冷鐵表面氧化層和石墨氧化層達到0.2～0.4mm時就應停止使用，推薦使用次數為15次。

飛輪類典型鑄件結構和工藝如圖2、圖3所示。

3.缸體類鑄件

雖然缸體類鑄件也屬于環狀鑄件，但由于存在油道及環體上的切槽，鑄件易產生氣孔及縮松缺陷，工藝難度較大。在進行工藝設計時要充分考慮油道芯的排氣，采取在油道芯中加設尼龍氣道，以及加大芯頭等方式進行排氣；還要考慮冒口的補縮范圍，根據鑄件直徑大小設置冒口數量。對于材質為HT250的鑄件來說，不需要使用冷鐵，但對于球墨鑄鐵來說，必須在油缸底面加冷鐵才能防止縮松缺陷。難度較大的缸體零件鑄造工藝如圖4所示。

4.變速箱體類鑄件

此類鑄件的典型特點是高寬比大，壁厚較小，在工藝設計時依然是采取“頂注優先”的原則，便于鑄型和砂芯中氣體的順利排出。對于灰鑄鐵箱體，鑄件自補縮能力強，不用考慮補縮冒口，球墨鑄鐵箱體一般在上平面設置頂冒口，可對鑄件下部有效補縮。在鑄造工藝參數上，不同方向的收縮量要進行調整，一般長度、寬度方向為1%，高度方向為0.5%。為了克服鑄件高而造成的起模困難，在制作模樣時，起模斜度取正負值，芯盒斜度與模樣外皮一致，保證壁厚均勻。由于鑄件冷卻速度快，砂芯阻礙收縮，易產生裂紋，因此在砂芯中要設置增加退讓性的材料或制作中空芯筒，也可推遲打箱時間，防止鑄件裂紋。典型鑄件結構和工藝如圖5、圖6所示。

5.閥體類鑄件

閥體類鑄件一般來說重量在幾十千克，質量要求嚴格，不但不能有表面缺陷，而且要求材質致密，不得有縮松、縮孔缺陷；內腔尺寸精度要求高，不得有粘砂或披縫缺陷。基于上述要求，進行閥體類鑄件工藝設計時，內腔砂芯最好采用熱芯盒制芯，以充分保證尺寸精度和表面質量，芯頭砂型和砂芯部分要有合理的間隙，保證砂芯能自由收縮，造型時一定要采取措施保證砂芯產生的氣體能排出鑄型。在鑄件致密度控制上，最好采用發熱冒口進行充分補縮，并采用高Si/C比配方，充分利用石墨化膨脹提高致密度。在內腔清潔度控制上，可以采用電化學清砂的方式，個別閥體由于結構原因，電化學清砂易產生裂紋時，必須采用手動噴砂機進行內腔清理，確保內腔質量。

由表1可知，基本苗是處理6最高，為7.17萬株/畝；依次是處理5為7.15萬株/畝，處理3和處理4為7.04萬株/畝；處理1最少，為6.90萬株/畝?？偳o蘗是處理6最高，為16.29萬蘗/畝；處理1最低，為14.70萬蘗/畝。有效穗是處理6最高，為10.79萬蘗/畝；處理1最低，為9.25萬/畝。

典型球墨鑄鐵閥體結構設計如圖7所示。

從該件結構上看主要有兩大難點：一是屬于厚大件，可能存在內部缺陷；二是砂芯復雜，芯盒制作難度大。

第一個難點采用直徑90mm、高150mm的發熱冒口進行補縮解決。

第二個難點的解決方法如下：

此鑄件形成油道的砂芯呈空間網狀結構，整體出砂很難實現，組芯是唯一的方法。根據零件使用要求及砂芯的結構特點，我們將砂芯分為三個部分分別制作。分配方案體現以下原則：

（1）盡量將尺寸要求高、功能相同的部分置于同一個芯盒中，保證尺寸精度。

（2）盡量將形狀復雜、出砂難度大的部分平均分配給各個芯盒，減小操作難度。

（3）盡量將定位基準統一到一個芯盒上，保證砂芯相互之間的定位精度。

圖7 閥體結構

（4）盡量增加定位面面積，保證最終粘結強度；盡量將粘結面置于靠近閥孔處，防止在閥體內部形成無法清理的披縫。

按上述原則對砂芯進行分割，如圖8所示。芯盒完成后，我們對組裝好的砂芯及最終鑄件進行了劃線檢查，結果顯示，重要油槽尺寸精度達到±0.5mm，各層砂芯的組裝精度達到±1.5mm，完全滿足了鑄件的使用要求。

6.行星架類鑄件

由于要求對行星架作平衡試驗，對高度尺寸和徑向尺寸均有很高的要求，因此芯盒和模樣均采用樹脂模型。為了保證尺寸精度，芯頭要采用整體圓柱形式，支承柱和圓盤均在芯盒中出，模樣芯頭和芯盒芯頭部分采用同一母模進行配翻，以提高配合精度；各支承柱用同一木模翻樹脂模型；為了保證各空檔的高度，考慮鑄件在高度方向收縮受阻，制作時芯盒高度減小1～2mm。SD7高驅動推土機二三排行星架結構和模樣如圖9、圖10所示。

三、適合樹脂砂生產的工藝措施

1.吊砂工藝

由于呋喃樹脂砂填砂時流動性好，抗拉強度高， 因此可推廣應用吊砂工藝，減少箱體、輪類、軸承座類鑄件的砂芯數量，提高鑄件尺寸精度和生產效率，減少清理工作量，降低成本。我公司的典型箱體有特卡系列高驅動推土機的變速箱體、變速箱蓋、鏈輪轂，以及T140—1的齒輪殼體、主離合器殼體等復雜箱體件，利用樹脂砂成功實施了吊砂工藝（見圖11），提高了鑄件等級。

2.疊箱造型工藝

由于樹脂砂強度度高，對于活塞、隔板等簡單鑄件，可以采用疊箱工藝，以提高生產效率，降低砂鐵比，節約澆注面積，降低鑄件成本。具體方法是把模樣置于一帶底板的木框內，造型時，首先制作平底砂型，然后在木框內填砂刮平，砂型硬化后把砂型從木框中起出，放于平底砂型上，然后將第二個疊加到第一個上面，以此類推，一般可疊加6～8個鑄型，具體數量根據鑄件高度而定。

由于球墨鑄鐵件對鑄型剛度要求高，此方法不適于球墨鑄鐵件。

3.熔煉工序質量控制

由于鑄鐵件存在石墨化膨脹，雖然可以進行自補縮，但也使鑄件補縮量不確定，要保證鑄件內在質量，需要對鐵液成分和澆注溫度等因素進行系統控制，尤其對于球墨鑄鐵件更為重要。我公司采用質量相對穩定的山西翼城生鐵和本溪生鐵為原料，同時使用優質的鑄造焦炭，確保穩定的鐵液成分和較高的出鐵溫度（1450℃）。在此基礎上，可以把碳當量提高到4.8%，從而在保證鐵液牌號的前提下，盡可能地提高鐵液的自補縮能力，熔煉工藝采用沖入法出鐵槽隨流孕育。

四、結語

對于工程機械類鑄件，灰鑄鐵件工藝和質量控制措施穩定、成熟，鑄件廢品率低；球墨鑄鐵件工藝難度較大，補縮困難，每種鑄件都要經過充分的工藝驗證，或使用凝固模擬軟件進行調整，做到既保證鑄件質量，又有最好的經濟效果。

（20121020）