25MN压力机立柱铸造工艺设计

辽阳锻压机床股份有限公司（辽宁 111000）张怀敏

我公司是锻压机床专业定点厂，25MN压力机（见图1）是我公司自主研发的重点产品，其机身分为横梁、立柱、底座三部分，其中立柱在工作过程中起支撑作用，承受高达40MN的频繁冲击，技术上对铸件质量要求很高，尤其是导轨处要求更为严格，铸件时效处理后需进行整体超声波无损检测，此件具有较大的外形尺寸及重量，相对我公司的现有铸造能力，是一个较大挑战。下面简述其铸造工艺设计过程。

图1 25MN压力机

一、铸件结构及工艺分析

铸件材质为HT250，具有较大的外形尺寸：3010mm×1500mm×720mm，单件净重8500kg。立柱是整个机床的重要件，其质量是保证机床精度的首要因素。铸造要求严格，尤其是导轨面，加工要求严，质量要求高，导轨面要求耐磨，此处也较厚大，表面粗糙度要求Ra达到3.2μm，不得有砂眼、夹砂、缩松及气孔等铸造缺陷，铸件时效处理后需进行整体超声波无损检测，这样就要求我们采用可行的铸造工艺来保证铸件质量。将导轨面放到下部或侧面，浇注铁液沿导轨纵向流入，使之平稳地充满型腔，结合我公司的实际生产情况，采用表干型铸造。

二、分型面及加工余量的选择

25MN压力机立柱结构比较复杂，砂芯较多，为保证铸件质量使金属液体平稳流入型腔，将立柱平置浇注，由于立柱结构较复杂，砂芯又多，为保证铸件质量，且便于工人操作，尽可能地把砂芯放到下箱，这样就把分型面确定在两侧砂芯的上平面，这样两侧凸台做成活块，即可解决起模问题。因为立柱是手工造型，单件小批生产，所以采用灰铸铁的三级精度，根据铸件在铸型中的摆放位置和铸件的最大尺寸，确定铸件底面和侧面的加工余量为10mm，留起模斜度为2mm。

三、内浇道的数量、类型及位置的选择

1.内浇道数量的选择

内浇道的数量主要取决于铸件结构和合金的性质，内浇道的数量多，能够将液体金属分散引入型腔，可以减少局部过热，对消除热裂、缩孔、粘砂等缺陷起着重要作用，但如果数目太多，又受到结构所限，造型麻烦，增加了清理工作量，同时又增加了流动阻力，因此选择两侧对浇，每侧4个内浇道较好。

2.浇注系统类型的选择

浇注系统主要有三种形式，第一种是封闭式浇注系统，即F直＞F横＞F内，此类型浇注系统内浇道截面最小，在浇注时整个浇注系统很快流入金属液，流入内浇道的速度是由整个浇注系统的金属压头所决定的，故流速较大，液态金属流入型腔易发生喷射现象，液体产生飞溅、氧化和卷入气体。第二种是开放式浇注系统，即F直＜F横＜F内，这种浇注系统内浇道截面最大，金属液流入时速度最小，流动平稳，冲击较小，同时也不易产生飞溅、氧化和卷入气体，但这种浇注系统除渣能力很差，铸件易产生夹渣缺陷。第三种是半封闭式浇注系统，即F横＞F直＞F内，这种浇注系统横浇道截面最大。由于直浇道较小，横浇道较大，金属液流动平稳，且撇渣能力也较强。通过以上三种类型浇注系统的比较，采用半封闭式浇注系统较为理想，它既避免了封闭式浇注系统的喷射、氧化和卷入气体的缺点，又解决了开放式浇注系统撇渣能力差的不足，故选择半封闭式浇注系统。

3.浇注位置的选择

为保证导轨的质量，能使铁液沿着导轨纵向流入，选择在两侧浇注为好；为造成立柱的顺序凝固，内浇道应设在壁较厚处；另外，还不能妨碍铸件的收缩，以免产生裂纹和变形；内浇道的安放还要便于清理，这样就将内浇道设置在立柱两侧需机械加工面的厚壁处，立柱铸造工艺如图2所示。

图2 立柱铸造工艺

四、浇注系统尺寸的计算

因已选择了半封闭式浇注系统，所以初步将浇道面积比定为F内:F直:F横=1:1.2:1.4。立柱在铸型中的位置如图3所示。

图3 立柱在铸型中的位置

通过计算，内浇道总截面积为87cm2，两侧各放置4道，每个内浇道截面积约11cm2，取梯形截面尺寸为50/60mm×20mm；横浇道总截面积为61cm2，取梯形截面尺寸为70/90mm×75mm（因横浇道两侧分流，故计算时取1/2F内的面积）；直浇道截面积为52.2cm2，取φ80mm圆形截面。

五、冒口位置、种类及尺寸的确定

1.冒口位置的确定

金属液流入型腔后，由于型壁的激冷作用，在型壁附近的金属液体具有很大的过冷度n（见图4），使之在型壁处产生大量的晶核，铸型表面金属的凝固产生了细晶区，同时伴随着体积的收缩，在凝固区液体的收缩就能从前沿液体中得到补充，伴随温度的降低，凝固从表层向内部发展，最后在铸件的较厚处或较高处易出现缩孔、缩松等缺陷。根据立柱的结构，将冒口放在两侧，共5个冒口（见图2）。

图4 热分析冷却曲线

2.冒口种类的选择

我们选用瓶形明冒口，因明冒口方便造型，又能通过冒口观察液面上升情况，不受砂箱高度的限制，同时又能起到排渣、出气的作用，但其保温性差，可采用高温铁液点补冒口和撒发热剂、保温剂等来提高冒口的补缩率。由于瓶形冒口在相同体积下表面积最小，因此散热慢，凝固时间就长，补缩效果也就越好。

3.冒口尺寸的确定

冒口的大小是根据被补缩部位的热节圆直径的大小来确定的，立柱的热节圆如图5所示。

据两侧拉筋孔处热节圆直径，又要考虑到冒口根部的断面宽度，确定为瓶形冒口，根部直径为φ80mm。

图5 立柱热节圆示意

六、工艺措施

（1）控制化学成分 此件材质为HT250，铸件目标化学成分为：wC＝2.8%～3.1%，wSi＝1.2%～1.4%，wMn＝1.0%～1.2%，wp<0.1%，wS<0.1%。即达到了铸件的强度要求，又能在凝固时有较高的石墨化膨胀能力，减少铸件产生缩孔、缩松倾向的可能性，为生产合格铸件提供了前提条件。

（2）控制浇注温度 因我公司目前只有一个5t/h熔炼能力的冲天炉，前炉铁液存储量为2.5t，两个5t浇包，立柱需浇注近10t的铁液，要2h才能产出，而因前炉铁液存储量有限，先出炉的铁液需在炉外静置时间较长，如果铁液温降较多，就无法保证铸件质量。

为保证铁液温度，我们采取了图6所示的倒包浇注工艺，即一个浇包经两次出铁接满后保温静置，待第三次出铁前将第一个浇包中的铁液倒入第二个浇包中一半，第二个浇包温度低，铁液降温快，所以铁液一经倒入第二个浇包后，立即用第三次刚出炉的高温铁液将其补满后保温静置，第四次出铁再将第一个浇包补满静置，出净渣气后，待温度降至1310～1330℃时再浇注。经这样处理，两包铁液温度比较接近，就不易产生冷隔缺陷，也不会产生因一包铁液出炉时间过长，使温度降低而达不到工艺要求的情况，防止了铸件产生浇不足的可能性，因为铁液静置时间足够长，就大大减少了因浇注温度过高，金属的总收缩量增加，吸气增多，氧化严重，铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷的机会，这一因生产能力不足而采取的无奈之举，不仅解决了不能生产较大吨位铸件的难题，更实现了在保证足够流动性的前提下尽量降低浇注温度，减少液态收缩，排净渣气，为获得优良铸件打下了较好的基础。

图6 倒包工艺

（3）控制铸型刚度 严格操作规程，在造型时严格要求，使每层填砂高度不许超过150mm，均匀舂实，使型砂紧实度均匀一致，保证铸件尺寸要求及外观质量。采用表干型铸造，铸型经表层烘干，使铸型表层水分减少，强度高，透气性好，可避免由湿型而引起的一些铸造缺陷如夹砂、气孔、冲砂、粘砂等，又比干型成本低且效率高。

（4）工艺方面 ①因此件采取的是顶注快浇工艺，铁液上升速度快，不容易氧化，铁液对型腔的烘烤时间短，减小涂层开裂、脱落的可能性，减少铸件夹渣等缺陷的产生；防止出现浇不足、冷隔缺陷；铸件各部的温度差小，防止裂纹发生；使型腔内气压增大，气体容易从铸型向外排出，铸件不容易产生气孔等孔洞类缺陷。②应用8个冷筋出气冒口，在浇注过程中起排气作用，浇注近结束时起一定的补缩液体的作用，在浇注结束后调节铸件中间部位的温度场，造成铸件在凝固过程中胀缩同步的条件，提高了两端冒口的补缩效率。③为保证铸件在需要补缩之前冒口有足够的高温铁液补缩，在浇注后不断用高温铁液点补冒口，既保证补缩通道的畅通，又保证了补缩量。

七、实践效果

25MN压力机是我公司的新产品，要求非常严格，所以既要保证铸件强度性能及外观尺寸、质量的要求，又要便于工人操作，采用半封闭式浇注系统、顶注快浇工艺、倒包浇注、冷筋出气冒口与明顶冒口结合应用等工艺，生产出的铸件经清理后外观平整光滑，无粘砂、砂眼等缺陷，经检验化学成分、力学性能、外观质量均达到了技术要求，铸件经超声波检测无缩孔、缩松、冷隔、裂纹等缺陷，加工后（见图7）也未发现任何铸造缺陷，在熔炼能力不足的情况下，成功铸造出高品质、高工艺出品率的合格大型铸件，证明工艺设计是成功的，实现了我公司在生产大型铸件上的技术突破。

图7 立柱加工后状态