厚大断面工作台类铸件常见缺陷及解决方法

GXF360 2017-12-24

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■王蒙

摘要：通过对铸造工艺、熔炼浇注工艺及加工工艺的改进，解决了立式加工中心用厚大断面工作台类铸件的夹砂、夹渣、气孔缺陷及材质问题，为生产同类铸件提供了可借鉴经验。

关键词：厚大断面；夹砂/渣；气孔；材质

本文重点介绍立式加工中心的重要零部件——工作台在铸造过程中常见缺陷及其解决方案。

一、铸件的基本参数

对于不同的立式加工中心的工作台铸件，一般来讲其形状简单规整，仅轮廓尺寸大小差异而已，但共有特点是主体壁厚较大，属于厚大断面铸件。

工作台面加工T形槽用于装夹固定被加工工件，台面的背面有的平面带空刀，有的对应T形槽位置设计加强筋，具体结构如图1所示。

立式加工中心用工作台的基本参数：轮廓尺寸为长2000～500mm、宽1000～400mm、高50～120mm；最大壁厚80～120mm；最小壁厚50mm；重量250～2000kg；材质为FC300。

工作台铸件在机床中外露可见，精度要求高，不允许有任何瑕疵，表面粗糙度Ra=0.2～0.8μm，且工作台面还需经过研磨处理。

二、常见的铸造缺陷

虽然工作台结构简单，但要一次性铸造出无缺陷的工作台也是一件不容易的事情。在本文论述的工作台的铸造过程中，常出现的缺陷如下。

1. 夹砂、夹渣

夹砂夹渣缺陷是所有铸件最为常见且占比最大的缺陷，工作台也不例外。工作台的夹砂/渣缺陷常出现在工件的表面，且最常见表现形式是夹渣或者夹杂缺陷，如图2所示。

2. 气孔

工作台台面处采用直冷冷铁的工艺，若冷铁质量控制不好就会在粗加工或精加工后出现气孔。另外，在工作台边角部位由于涂料的干燥不彻底会产生气孔，如图3所示。

3. 材质问题

由于断面厚大，浇注后冷却、凝固的时间长，最容易出现材质问题，此也是工作台类铸件最难控制和解决的，也是困扰铸造工作者最大的问题。工作台铸件在铸造过程中的材质问题有：加工后T形槽内缩松、加工面“麻点”、冷铁痕迹等。

图1 工作台铸件结构示意

图2 工作台夹砂/渣缺陷示意

图3 台面气孔缺陷

（1）T形槽缩由于铸件加工的T形槽深度一般达到铸件深度的一半，当T形槽处凝固过程中出现的收缩大于补缩与石墨化膨胀之和时，就会出现缩松、缩孔等问题，这也是材质控制的难点之一。在此种情况下，用户加工后出现了如图4所示的缩松缺陷。

（2）加工面“麻点” 工作台加工面易出现“麻点”缺陷，此缺陷需肉眼在逆光条件下观察，在放大100倍的显微镜下即可清晰地看到孔洞类缺陷，如图5所示。

（3）冷铁痕迹为解决工作台厚大断面的激冷，工艺上在工作台面部位设置了冷铁，结果在工作台面上产生了冷铁印记，如图6所示。

三、工作台常见缺陷分析及解决方案

1. 夹砂、夹渣

针对夹砂、夹渣缺陷，纠正预防措施主要从型砂质量、浇注系统、过程操作等方面改进。

（1）控制型砂质量在再生砂质量符合标准的前提下，将型砂抗压强度保证在4.0～5.5MPa，将型砂可使用时间控制在6～10min，以保证砂芯有足够的常温强度和高温强度，减少冲砂造成的夹砂缺陷。

（2）浇注系统此类工作台原浇注系统均采用封闭式，后逐步统一改为开放式浇注系统加过滤网，控制内浇道流速≤1m/s，目的是充型平稳、挡渣/砂。封闭式浇注系统各横截面比为∑F直∶∑F横∶∑F内＝1.0∶2.0∶0.8，内浇道流速为1.4～2.0m/s。开放式浇注系统各横截面比为∑F直∶∑F横∶∑F内＝1.0∶2.0∶2.0，内浇道流速为0.6～1.0m/s。工艺设计实例如图7、图8所示。

（3）过程操作紧实操作：采用振动紧实平台随混砂机流砂过程，边流砂边紧实；在冒口部位还需要增加人工紧实。

其他操作方面如冒口刷涂料，以及合型后及时遮盖浇口、冒口等，都必须严格按照工艺操作规范进行，并检查合格后方可进行下一步操作。

2. 气孔

气孔缺陷的解决主要从两方面入手，一方面，提高冷铁的表面质量，确保冷铁表面无气孔、生锈、湿潮等；另一方面，水基涂料刷涂后必须采用烘干窑烘干，醇基涂料刷涂点燃后放置4h以上，采用测湿仪器测量砂芯表面含水率符合要求后方可合型，砂芯表面含水率标准为≤0.2%。

3. 材质问题

工作台内部缩松、精加工面麻点及冷铁痕迹等材质问题不应该分割地去看待，应整体地将熔炼工序、铸造工艺甚至用户加工工艺综合统一起来，并采取措施来解决。

（1）熔炼工艺改进能够稳定地控制厚大断面灰铸铁材质，是衡量电炉熔炼工艺良莠的重要指标，对于以上3种材质问题，均是熔炼浇注过程中出现波动导致的。究其原因就是铁液在孕育前后的过冷倾向偏大，加上直接冷铁的激冷作用会出现冷铁痕迹缺陷，微观显微组织为D型石墨+细片状珠光体，具体如图9、图10所示。同时石墨化膨胀时自补缩能力下降，也是加工T形槽出现缩松的重要因素。

将存在冷铁痕迹的铸件做金相组织、本体硬度检验，结果见表1。

图4 加工缩松缺陷示意

图5 加工麻点缺陷

图6 加工后冷铁印记缺陷

图7 封闭式浇注系统

图8 开放式浇注系统

熔化浇注工艺的具体改进措施：①降低浇注温度，减小铁液的液态收缩。②适当降低C含量，增强基体组织，降低石墨粗大的趋势。③强化孕育效果，由于工作台为厚壁铸件，应用BaSi等长效孕育剂。

（2）铸造工艺改进原直冷冷铁工艺就是沿长度方向在加工T形槽位置摆放冷铁，目的是通过冷铁激冷效果，减少加工T形槽的缩松缺陷。但此工艺对冷铁质量要求非常严格，否则必会出现上述的渣气孔缺陷。对于几种激冷材质的激冷效果及优缺点进行对比，见表2。

从经济性、操作性考虑，结合感应电炉熔炼浇注工艺的改进，将铸造工艺从直冷冷铁工艺改为隔砂冷铁工艺，如图11、图12所示。仅从摆放冷铁数量上，从每箱外模摆放几十甚至上百块减少到个位数，尽管冷铁形状、重量差异，但效率倍增，同时对隔砂冷铁质量的要求可适当放宽。

对于隔砂冷铁工艺还应该注意以下几点：①隔砂层厚度：20～30mm, 当隔砂层厚度＜20mm时，砂子会带不住，当隔砂层厚度＞30mm激冷效果会削弱或消失。②隔砂层的紧实：紧实必须到位，并刮平、施涂。③刮砂面刮平后注意检查直浇道窝、横浇道等部位，清理掉落的散砂。

（3）加工工艺改进对于此类厚大断面工作台，经过与用户的加工工艺人员沟通、研究并结合相关的文献资料，对于加工时刀具的进给量、切削速度等参数需要重新审定。从微观角度，灰铸铁组织中存在大量的片状石墨，石墨在基体组织中可以看作是“孔洞”，若刀具进给量大、切削速度快就会将由许多“孔洞”包围的铁带掉，在宏观上就表现为小凹坑、麻点。

图9 正常处

图10 冷铁痕迹处

图11 直冷冷铁（钢制）工艺

图12 隔砂冷铁工艺

表1 铸件本体硬度、组织对比

项目正常处冷铁痕迹处实体硬度HBW 174 191基体组织石墨形态：A型石墨长度：4基体组织：95%P石墨形态：D型石墨长度：—基体组织：95%P

表2 几种冷铁激冷效果及优缺点对比

方案优点缺点激冷效果排名铸铁冷铁成本低；易于回收质量不易控制，经常有气孔等缺陷2钢制冷铁冷铁质量可控，无孔洞类缺陷；易于回收摆冷铁操作效率低3石墨冷铁激冷效果最优；不会造成铸件孔洞类缺陷流砂时易跑偏；不易回收，也易磨损导致形状不良；成本高1隔砂冷铁冷铁质量要求不严格；可以重复使用；成本低操作相对复杂，效率低4

因此，为解决工作台加工面“麻点”缺陷，在最后的精加工工序中，适当降低刀具的进给量及切削速度是解决问题的方向，刀具进给量从0.1mm降低到0.05mm，切削转速从1000r/min降低到800r/min，加工后效果明显改善。