介绍了数控内圆磨床工作台铸件原工艺方案，并指出该方案在生产中出现的问题。经分析认为, 改进铸件结构是解决问题的最佳途径。在不改变外形机械加工尺寸的前提下，改进铸件结构，调整工艺方案，使诸多问题得以解决，生产出合格的工作台铸件，从而达到降低生产难度、节约金属材料、降低生产成本，以及提高成品率的效果。

关键词：工作台；模板造型；粘砂；共晶度；成品率

1 序言

工作台作为M2210型半自动内圆磨床的关键部件，对铸件的内在质量、尺寸精度、整体强度及刚度等都有较高的要求，尤其是2条导轨，为保证其耐磨性，还要求具有较高的硬度(＞190HBW），不允许有任何铸造缺陷。因此，本文针对工作台铸件在生产中出现的问题，优化设计结构和铸造工艺，保证铸造质量，具有重要意义。

2 工作台结构与生产状况

铸件重190kg， 材质HT200， 轮廓尺寸为1400mm×300mm×100mm，三维结构如图1 所示。原工艺生产时存在一些非常棘手的问题，如主砂芯制作难度大，耗费工时多；虽然导轨硬度合格，但矩形方框边缘、导轨侧边缘、淌水孔沿（见图2）等薄壁处出现麻口或白口组织，致使加工难度大，以及工作台内腔靠近平导轨一侧粘砂严重、清理难度大等。为得到力学性能优良、无铸造缺陷的机床工作台铸件[1］，多年来一直进行着各种尝试，效果不甚理想。经研讨、分析认为，改进铸件结构是解决上述问题的最佳途径。征得设计人员同意，在不改变外形尺寸的前提下，改进铸件结构，调整工艺方案，使诸多问题得以解决，生产出合格的工作台铸件，从而达到降低生产难度、节约金属材料、降低生产成本，以及提高成品率的效果。

3 原铸造工艺方案及存在的问题

3.1 原铸造工艺方案

原铸造工艺（见图3）采用粘土砂、两箱分模造型，导轨面朝下，干型干芯，分模面、分型面为同一平面，位置如图4所示。上下模做成模板形式，以保证其刚度，减少变形。工作台内腔形状复杂，共由3个砂芯形成。1#、2#砂芯（见图5）长675mm，拼到一起形成工作台内腔的主体部分。3#砂芯为淌水孔砂芯。

浇注系统设置在工作台的端头，内浇道正对着2条导轨开设，充型更为顺畅。横浇道设置在上型，横浇道与内浇道之间设置一离心式集渣包，以增强除渣效果。上型2个380mm×44mm×（45～49）mm矩形凸台（中间铣有梯形槽）是磨架的安装基础，该部位截面厚大，易产生缩松、缩孔等收缩缺陷。凸台上各设置1个φ 70mm×200mm明冒口，对该部位进行补缩（见图3）。

铁液成分为：wC＝3.35%，wSi＝1.8%，wMn＝0.9%，wS＝0.05%，wP＝0.1%。出铁槽75SiFe孕育处理。浇注时间为30s，浇注温度为1400～1450℃。

3.2 生产中存在的问题及产生原因分析

（1）生产中存在的问题

1）问题1：导轨部位达到硬度要求，而其他薄壁部位，如矩形方框沿、导轨侧沿、淌水孔沿、尾部2个φ 30mm×50mm工艺台部位，出现麻口甚至白口组织，造成后道工序机械加工困难的现象，废品率近15%。

2）问题2：1#、2#砂芯两翼部（见图5中A、B区域）截面厚度小，尤其是平导轨一侧（B部位）截面厚度仅16～18mm，强度较低，制芯及烘干时很容易断掉，往往要多准备1～2个砂芯，以备合箱时替换。

3）问题3：工作台内腔，尤其是内腔左侧区域很容易出现粘砂缺陷。工作台左侧内腔区域最小空间高度仅为16～18mm，清理工具很难进入操作，芯砂清理难度大，耗费工时多。

（2）产生原因分析

1）由于冷却速度的差异，因此铸件上不同壁厚部位力学性能是不同的。导轨是工作台最关键的部位，导轨的硬度等性能指标必须优先保证。因为壁厚悬殊，确定化学成分时若保证了导轨的硬度要求，其他薄壁部位就很容易出现麻口或白口组织，所以会造成加工困难或无法加工[2］。

根据原铁液化学成分，铁液的共晶度Sc值可由公式Sc＝C/［4.3－0.3（Si+ P）］计算得出，共晶度Sc值为0.9。共晶度Sc与铸件形成白口组织的临界壁厚之间的关系如图6所示[3]。由图6可看出，随共晶度值增加，铸铁材料形成麻口组织、白口组织的临界壁厚逐渐减小。当共晶度Sc值为0.9时，铸件形成灰口组织的临界值为15mm，形成白口的临界值为10mm。也就是说，共晶度为0.9时，铸件的壁厚＞15mm，即可得到灰口组织；壁厚＜10mm时，铸件将会产生白口组织；壁厚在10～15mm，会形成麻口组织。工作台矩形方框沿厚度为12mm，导轨侧沿(含加工余量5mm)厚14mm，均处在麻口区域，会产生麻口组织；淌水孔沿厚8mm，小于白口临界值10mm，显然会产生白口组织，出现无法加工的现象。好在淌水孔沿高度不大，仅20mm高；尾部2个φ 30mm×50mm工艺台，散热面积相对较大，偶尔也会出现加工困难现象，这些与实际情况比较吻合。金属液熔炼完成，浇注前进行的孕育处理确实起到了很好的作用，可有效地避免薄壁部位的过硬现象。但在实际生产中，由于炉料成分、熔炉温度的波动，以及孕育失效等情况的影响，因此仍会出现薄壁部位过硬现象，废品率达15%左右，造成一定的经济损失。

2）芯砂烧结到铸件上，清理不掉，即产生粘砂缺陷。铸件两壁之间的砂芯厚度，一般应当不小于两边壁厚的总和，以免两壁熔接在一起[4]，这是铸件结构设计的一般原则。工作台内腔左右侧区域高度尺寸小（见图2），尤其是左侧区域，高度尺寸仅有16mm左右（宽度近70mm），远小于两边壁厚的总和。形成此局部内腔的1#、2#砂芯的悬伸部分形状扁薄，且该部位还处于厚大金属截面的包围之中，使砂芯局部热量集中，其正常的性能因而受到破坏[5]。砂芯表面提前溃散，使金属或金属氧化物易于渗入，从而形成粘砂。况且落砂清理时，由于该部位内腔高度过于狭小，清理工具无法操作，芯砂很难清理出去，清理工作量很大。这种未清理彻底的工作台，一旦装到机床出厂使用，砂粒受到振动而脱落，溅到导轨面或浸入液压缸，将会造成机床导轨面或油缸研损。

由以上分析可看出，问题1是铸件壁厚悬殊所致，问题2、问题3是内腔空间高度偏小造成的，这些均与铸件的结构设计有关。经征得设计人员同意，决定在外形机械加工尺寸保持不变的前提下，对铸件结构进行改进，使铸造生产中出现的各种难题得以解决。

4 结构改进及工艺方案调整

4.1 工作台结构改进

1）导轨部位（包括平导轨、△导轨）厚度偏大，在外形机械加工尺寸保持不变的情况下，适当增大内腔左侧区域高度尺寸，使导轨部位变薄，平导轨厚度由原尺寸减为14mm；内腔右侧区域随着△导轨外形作出相应的改变，保证其垂直壁厚为14mm，改进结构如图7所示；安装齿条的基准面——3个小平台（见图1）局部加厚，保证应有的强度。这样改进之后，导轨壁厚19mm（含加工余量）与矩形方框沿、导轨侧沿及其他薄壁部位的厚度就比较接近了，使原设计的壁厚悬殊情况得以改善。工作台内腔高度最小区域尺寸由原来的16～18mm增加到30～32mm（平导轨侧）。砂芯截面增大后，强度得到保证，制作时也会更容易，包括砂芯用的芯骨，制作难度也大幅降低。

2）工作台尾部2个φ 30mm×50mm工艺台，改为宽30mm、高50mm，且与两圆台中心距等长的矩形凸台，以延缓该部位的冷却速度，避免造成过硬，改善机械加工性能。

4.2 结构改进后的工艺方案

铸件结构改进后，改善了铸件壁厚悬殊状况，其铸造工艺方案也随之作出相应的调整， 如图8所示。

在原铸造工艺基础上，做出如下调整。

1）形成工作台外部轮廓形状的模型、模板等，均维持原状。

2）形成工作台内腔形状的3个砂芯中，仅对1#、2#砂芯的芯盒进行相应改造。平导轨对应部位内腔高度增大，使导轨部位减薄至19mm；△导轨部位内腔随着导轨外形作出相应改变，保证其垂直壁厚为19mm，芯盒中该部位采用活块结构。

3）造型时，在工作台960mm×280mm矩形方框边沿（淌水孔一侧）、纵向中点处设置1个鸭嘴形溢流冒口[6］（冒口尺寸50mm×50mm×200mm，冒口颈截面50mm×8mm，颈部高8～10mm），以排出型腔内气体，同时可溢出矩形方框边沿（淌水孔附近）部位的冷铁液。在冷铁液由方框边沿溢出的同时，加热了该部位的型砂，减缓了附近区域铁液的冷却速度，对避免麻口或白口组织产生有一定的作用。

4）铸铁成分调整。结构改进之后，工作台铸件各部位壁厚悬殊状况得以改善。在成分确定时既要保证导轨部位的硬度要求，同时又要兼顾薄壁部位的加工性能。最终选用化学成分为：wC＝3.4%，wSi＝1.8%，wMn＝0.85%，wS＝0.05%，wP＝0.1%；孕育处理分2次进行，第一次为75SiFe随流孕育，粒度2～5mm，出铁时在铁液槽内进行，加入量0.1%～0.2%；第二次采用SiFe75浮硅孕育，加入量0.2%左右，块度30～60mm，放入浇包远离包嘴的后侧，覆盖珍珠岩保温、集渣，形成保温层后切勿搅动，使其在浇注的中后期缓慢熔化形成富硅层，在第一次孕育衰退时发挥作用，以保证孕育效果良好。

5 工艺生产验证

首批投产数量5件。

准备好工装、型砂、芯砂，按工艺要求进行造型、制芯（1#～3#砂芯），3#芯湿态安装至上型淌水孔位置，并挤紧两芯头；砂型、砂芯涂刷铅粉涂料后装窑烘干；清理型腔、清扫砂芯表面浮灰，检查外形、尺寸；下芯、验箱、放置芯撑、合型及卡紧等，完成合型操作；熔化金属液，出铁温度1490℃，出铁槽75SiFe孕育处理，炉前三角试片检测，白口5～6mm；浇注温度1400～1450℃，浇注时间25s，浇注时应作好挡渣、引火；冷凝、落砂清理，得到工作台铸件5件。

交检工作台5件，逐一进行导轨硬度检测，在导轨全长上抽检任意3点硬度，实测值为192～215HBW，符合设计要求。抽检工作台矩形方框沿、导轨侧沿等薄壁部位硬度，最高硬度值为238HBW。对工作台各部位的形状误差、尺寸精度进行检测，均在误差技术要求范围内，合格。

后又生产多批，效果良好，废品率基本控制在3%以内。

6 生产效果

1）结构改进后，工作台铸件导轨硬度符合设计要求，各部位硬度相对比较均匀。对机械加工过程进行跟踪了解，发现导轨面组织致密，金属光泽理想，矩形方框沿及其他薄壁部位加工性能良好，未出现加工困难或无法加工现象。

2）结构改进后，工作台铸件重量由原来的190kg变为145kg，每件减重45kg，按每吨5000元计，每件节省225元。

3）结构改进后，铸件内腔空间高度增大，1#、2#砂芯两翼部位增厚，强度增高，制作更容易。另外，内腔高度增大后，砂芯清理也更方便，制芯、清理工时明显减少。

7 结束语

1）改进不合理的铸件结构，可降低铸造生产的难度，降低生产成本。

2）在结构设计中，应尽量避免壁厚厚薄悬殊情况的出现，尤其是对硬度有严格要求的机床类铸件。

3）设计的铸件内腔，要便于铸件型芯制作，易于砂芯清理；内腔的高度（即砂芯的厚度）应大于两边壁厚的总和。