介紹了數控內圓磨床工作臺鑄件原工藝方案，并指出該方案在生產中出現的問題。經分析認為, 改進鑄件結構是解決問題的最佳途徑。在不改變外形機械加工尺寸的前提下，改進鑄件結構，調整工藝方案，使諸多問題得以解決，生產出合格的工作臺鑄件，從而達到降低生產難度、節約金屬材料、降低生產成本，以及提高成品率的效果。

關鍵詞：工作臺；模板造型；粘砂；共晶度；成品率

1 序言

工作臺作為M2210型半自動內圓磨床的關鍵部件，對鑄件的內在質量、尺寸精度、整體強度及剛度等都有較高的要求，尤其是2條導軌，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，本文針對工作臺鑄件在生產中出現的問題，優化設計結構和鑄造工藝，保證鑄造質量，具有重要意義。

2 工作臺結構與生產狀況

鑄件重190kg， 材質HT200， 輪廓尺寸為1400mm×300mm×100mm，三維結構如圖1 所示。原工藝生產時存在一些非常棘手的問題，如主砂芯制作難度大，耗費工時多；雖然導軌硬度合格，但矩形方框邊緣、導軌側邊緣、淌水孔沿（見圖2）等薄壁處出現麻口或白口組織，致使加工難度大，以及工作臺內腔靠近平導軌一側粘砂嚴重、清理難度大等。為得到力學性能優良、無鑄造缺陷的機床工作臺鑄件[1］，多年來一直進行著各種嘗試，效果不甚理想。經研討、分析認為，改進鑄件結構是解決上述問題的最佳途徑。征得設計人員同意，在不改變外形尺寸的前提下，改進鑄件結構，調整工藝方案，使諸多問題得以解決，生產出合格的工作臺鑄件，從而達到降低生產難度、節約金屬材料、降低生產成本，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。工作臺內腔形狀復雜，共由3個砂芯形成。1#、2#砂芯（見圖5）長675mm，拼到一起形成工作臺內腔的主體部分。3#砂芯為淌水孔砂芯。

澆注系統設置在工作臺的端頭，內澆道正對著2條導軌開設，充型更為順暢。橫澆道設置在上型，橫澆道與內澆道之間設置一離心式集渣包，以增強除渣效果。上型2個380mm×44mm×（45～49）mm矩形凸臺（中間銑有梯形槽）是磨架的安裝基礎，該部位截面厚大，易產生縮松、縮孔等收縮缺陷。凸臺上各設置1個φ 70mm×200mm明冒口，對該部位進行補縮（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。澆注時間為30s，澆注溫度為1400～1450℃。

3.2 生產中存在的問題及產生原因分析

（1）生產中存在的問題

1）問題1：導軌部位達到硬度要求，而其他薄壁部位，如矩形方框沿、導軌側沿、淌水孔沿、尾部2個φ 30mm×50mm工藝臺部位，出現麻口甚至白口組織，造成后道工序機械加工困難的現象，廢品率近15%。

2）問題2：1#、2#砂芯兩翼部（見圖5中A、B區域）截面厚度小，尤其是平導軌一側（B部位）截面厚度僅16～18mm，強度較低，制芯及烘干時很容易斷掉，往往要多準備1～2個砂芯，以備合箱時替換。

3）問題3：工作臺內腔，尤其是內腔左側區域很容易出現粘砂缺陷。工作臺左側內腔區域最小空間高度僅為16～18mm，清理工具很難進入操作，芯砂清理難度大，耗費工時多。

（2）產生原因分析

1）由于冷卻速度的差異，因此鑄件上不同壁厚部位力學性能是不同的。導軌是工作臺最關鍵的部位，導軌的硬度等性能指標必須優先保證。因為壁厚懸殊，確定化學成分時若保證了導軌的硬度要求，其他薄壁部位就很容易出現麻口或白口組織，所以會造成加工困難或無法加工[2］。

根據原鐵液化學成分，鐵液的共晶度Sc值可由公式Sc＝C/［4.3－0.3（Si+ P）］計算得出，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。當共晶度Sc值為0.9時，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，共晶度為0.9時，鑄件的壁厚＞15mm，即可得到灰口組織；壁厚＜10mm時，鑄件將會產生白口組織；壁厚在10～15mm，會形成麻口組織。工作臺矩形方框沿厚度為12mm，導軌側沿(含加工余量5mm)厚14mm，均處在麻口區域，會產生麻口組織；淌水孔沿厚8mm，小于白口臨界值10mm，顯然會產生白口組織，出現無法加工的現象。好在淌水孔沿高度不大，僅20mm高；尾部2個φ 30mm×50mm工藝臺，散熱面積相對較大，偶爾也會出現加工困難現象，這些與實際情況比較吻合。金屬液熔煉完成，澆注前進行的孕育處理確實起到了很好的作用，可有效地避免薄壁部位的過硬現象。但在實際生產中，由于爐料成分、熔爐溫度的波動，以及孕育失效等情況的影響，因此仍會出現薄壁部位過硬現象，廢品率達15%左右，造成一定的經濟損失。

2）芯砂燒結到鑄件上，清理不掉，即產生粘砂缺陷。鑄件兩壁之間的砂芯厚度，一般應當不小于兩邊壁厚的總和，以免兩壁熔接在一起[4]，這是鑄件結構設計的一般原則。工作臺內腔左右側區域高度尺寸小（見圖2），尤其是左側區域，高度尺寸僅有16mm左右（寬度近70mm），遠小于兩邊壁厚的總和。形成此局部內腔的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，由于該部位內腔高度過于狹小，清理工具無法操作，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，一旦裝到機床出廠使用，砂粒受到振動而脫落，濺到導軌面或浸入液壓缸，將會造成機床導軌面或油缸研損。

由以上分析可看出，問題1是鑄件壁厚懸殊所致，問題2、問題3是內腔空間高度偏小造成的，這些均與鑄件的結構設計有關。經征得設計人員同意，決定在外形機械加工尺寸保持不變的前提下，對鑄件結構進行改進，使鑄造生產中出現的各種難題得以解決。

4 結構改進及工藝方案調整

4.1 工作臺結構改進

1）導軌部位（包括平導軌、△導軌）厚度偏大，在外形機械加工尺寸保持不變的情況下，適當增大內腔左側區域高度尺寸，使導軌部位變薄，平導軌厚度由原尺寸減為14mm；內腔右側區域隨著△導軌外形作出相應的改變，保證其垂直壁厚為14mm，改進結構如圖7所示；安裝齒條的基準面——3個小平臺（見圖1）局部加厚，保證應有的強度。這樣改進之后，導軌壁厚19mm（含加工余量）與矩形方框沿、導軌側沿及其他薄壁部位的厚度就比較接近了，使原設計的壁厚懸殊情況得以改善。工作臺內腔高度最小區域尺寸由原來的16～18mm增加到30～32mm（平導軌側）。砂芯截面增大后，強度得到保證，制作時也會更容易，包括砂芯用的芯骨，制作難度也大幅降低。

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

4.2 結構改進后的工藝方案

鑄件結構改進后，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的調整， 如圖8所示。

在原鑄造工藝基礎上，做出如下調整。

1）形成工作臺外部輪廓形狀的模型、模板等，均維持原狀。

2）形成工作臺內腔形狀的3個砂芯中，僅對1#、2#砂芯的芯盒進行相應改造。平導軌對應部位內腔高度增大，使導軌部位減薄至19mm；△導軌部位內腔隨著導軌外形作出相應改變，保證其垂直壁厚為19mm，芯盒中該部位采用活塊結構。

3）造型時，在工作臺960mm×280mm矩形方框邊沿（淌水孔一側）、縱向中點處設置1個鴨嘴形溢流冒口[6］（冒口尺寸50mm×50mm×200mm，冒口頸截面50mm×8mm，頸部高8～10mm），以排出型腔內氣體，同時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，加熱了該部位的型砂，減緩了附近區域鐵液的冷卻速度，對避免麻口或白口組織產生有一定的作用。

4）鑄鐵成分調整。結構改進之后，工作臺鑄件各部位壁厚懸殊狀況得以改善。在成分確定時既要保證導軌部位的硬度要求，同時又要兼顧薄壁部位的加工性能。最終選用化學成分為：wC＝3.4%，wSi＝1.8%，wMn＝0.85%，wS＝0.05%，wP＝0.1%；孕育處理分2次進行，第一次為75SiFe隨流孕育，粒度2～5mm，出鐵時在鐵液槽內進行，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，放入澆包遠離包嘴的后側，覆蓋珍珠巖保溫、集渣，形成保溫層后切勿攪動，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發揮作用，以保證孕育效果良好。

5 工藝生產驗證

首批投產數量5件。

準備好工裝、型砂、芯砂，按工藝要求進行造型、制芯（1#～3#砂芯），3#芯濕態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，白口5～6mm；澆注溫度1400～1450℃，澆注時間25s，澆注時應作好擋渣、引火；冷凝、落砂清理，得到工作臺鑄件5件。

交檢工作臺5件，逐一進行導軌硬度檢測，在導軌全長上抽檢任意3點硬度，實測值為192～215HBW，符合設計要求。抽檢工作臺矩形方框沿、導軌側沿等薄壁部位硬度，最高硬度值為238HBW。對工作臺各部位的形狀誤差、尺寸精度進行檢測，均在誤差技術要求范圍內，合格。

后又生產多批，效果良好，廢品率基本控制在3%以內。

6 生產效果

1）結構改進后，工作臺鑄件導軌硬度符合設計要求，各部位硬度相對比較均勻。對機械加工過程進行跟蹤了解，發現導軌面組織致密，金屬光澤理想，矩形方框沿及其他薄壁部位加工性能良好，未出現加工困難或無法加工現象。

2）結構改進后，工作臺鑄件重量由原來的190kg變為145kg，每件減重45kg，按每噸5000元計，每件節省225元。

3）結構改進后，鑄件內腔空間高度增大，1#、2#砂芯兩翼部位增厚，強度增高，制作更容易。另外，內腔高度增大后，砂芯清理也更方便，制芯、清理工時明顯減少。

7 結束語

1）改進不合理的鑄件結構，可降低鑄造生產的難度，降低生產成本。

2）在結構設計中，應盡量避免壁厚厚薄懸殊情況的出現，尤其是對硬度有嚴格要求的機床類鑄件。

3）設計的鑄件內腔，要便于鑄件型芯制作，易于砂芯清理；內腔的高度（即砂芯的厚度）應大于兩邊壁厚的總和。