美卓矿机动颚铸件铸造工艺设计.pdf

金属铸锻焊技术CastingForgingWelding2011年11月 Hot Working Technology2011 , Vol.40,No.21 2007年我公司与全球有名的矿山机械制造商 美卓矿机合作， 为其提供颚式破碎机主要零件动颚 等铸钢件。 国外客户对此铸件要求符合欧标的铸件 二级UT与MT探伤标准，样件全面探伤。 该件铸造 成功不仅能实现我公司铸钢件的出口梦想， 更标志 着我公司铸造水平及产品档次提升， 为公司的长远 发展和国际市场开拓，具有十分重要的历史意义。 1铸件结构特点 动颚是颚式破碎机的核心工作部件见图1，其 轮廓尺寸为2495mm938mmR365mm， 铸件重 3945kg。 主要壁厚为30mm，而且分布比较均匀，右 侧为轴孔，壁厚稍厚，左侧为箱体结构，内部筋板交 错分布，铸件的下部呈现大平面分布，属于复杂箱体 类铸钢件，铸造难度极大。 铸件左侧内部交错筋板， 每一个筋板形成了铸件的一个热节，铸件的头部、尾 部各自一个热节，铸件下部两个集中的热节，这些热 节如何能够得到有效补偿， 是采用冷铁还是采用补 贴形式，需要同时考虑。此件的铸造工艺设计是对我 们技术水平的极大考验。 动颚材质为ZG20Mn2， 其中S、P含量控制在 0.02之内； 要求-30℃冲击功大于27J。 客户要求 轴孔部位及筋板相交热节处磁粉超声波探伤， 样件 全面探伤检查。 铸件化学成分及物理性能要求极其 苛刻，这也是对我们铸造能力的一大挑战。 2铸造工艺方案确定 2.1工艺借鉴 此前，我们为上海一厂商制作过类似铸件，采用 平躺式浇注方案，大平面向上，整个铸件分布于下箱 的工艺。此方案造型简单，但是受力部位轴孔处下部 质量不能保证。 为了检验此方案， 我们应用华铸 CAE模拟软件，进行凝固模拟分析见图2。 模拟结 果正如我们推测，轴孔下部出现大面积缩孔和缩松， 其他热节也存在缩松现象，这是不允许的。 另外，该 工艺违背了主要工作面和受力面应放在底部或侧面 的铸造工艺方案设计原则[1]，会造成上平面及轴孔 上部产生砂眼、气孔等铸造缺陷，影响铸件的强度。 美卓矿机动颚铸件铸造工艺设计 Casting Process Design of Metso Pitman 王洪刚 1， 姜绍海1， 胡小琳2， 戴 勇1 （1.济钢集团 重工机械有限公司，山东 济南250101；2.中国重汽集团 济南动力有限公司铸造中心，山东 济南250010） 摘要根据铸件结构特点及类似铸件工艺的分析对比，确定立浇、中间分型工艺方案。 通过冒口和外冷铁结合使 用、浇注系统的合理设计以及针对性操作要点的制定，避免了缩孔、粘砂、裂纹等铸造缺陷的产生，保证了铸件内外在质 量，达到出口要求。 关键词动颚；铸造工艺；外冷铁 中图分类号TG24文献标识码B文章编号1001-3814201121-0056-02 收稿日期2011-04-17 作者简介王洪刚1983- ，男，山东聊城人，本科，助理工程师，从事 铸钢工艺设计工作；电话0531-88866886； E-mailwolfgang2003 准400 2495 准122 准142 R365 60 872 938 准516 30 图1动颚简图 图2原工艺模拟结果 56 金属铸锻焊技术CastingForgingWelding上半月出版 热加工工艺2011年第40卷第21期 2.2新工艺方案 在否定了上述工艺方案后，我们采用立浇方案， 即轴孔位置竖立，凹槽大平面位于侧面。由于模样太 高，难于造型；同时为了便于下芯和检查，采用中间 分型。 凹槽及侧面凸台阻碍起模的地方，采用活块。 为保证砂芯定位准确，1、2砂芯均采用上下芯头定 位；并且加大2砂芯底部芯头尺寸，提高其强度，以 免下芯时断裂。2芯盒采用脱落式，保证砂芯形状及 尺寸。 详细工艺见图3。 2.3主要工艺参数 采用水玻璃砂砂型和碱酚醛树脂砂芯工艺，铸 造线收缩率采取2；拔模斜度按照1制作，上、下 侧及孔加工量分别设为12、10及10mm。 1浇注系统由于动颚尺寸和重量较大，壁厚 较小，结构复杂，宜采用底注式钢包浇注；浇注时钢 水应该快速充满型腔， 以防止铸型长时间处于钢水 热辐射作用下，引起表面开裂脱落，造成夹砂缺陷； 局部过热引起粘砂；以及钢液表面金属凝固或氧化， 引起的冷隔等缺陷[2]。 因此，按照铸件重量≤5t的铸 钢件， 钢液在型腔中最小上升速度为25mm/s，即 vL25mm/s。 th/vL938/2537.5s vm/t3945/37.5105.2kg/s v包1.3v136.8kg/s 其中t为铸件浇注时间；h为铸件高度；v铸件浇注 重量速度；m为铸件浇注重量；v包为钢液流量。 以上为按照最小上升速度计算的数值， 实际v 包应该大于136.8kg/s；查取手册，我们选用准80mm 包孔，流量150kg/s。 按照开放式浇注系统∑F包∶∑F直∶∑F横∶∑F内 1∶1.8～2∶1.8～2∶2～2.5和保证该件平稳充型，最 终定为底返式浇注系统直浇道选用准100mm直浇 道，准100mm横浇道两侧对称分布和准80mm内浇 道8个。 2冒口及冷铁设计由于轴孔处铸造质量要 求较高，我们采用环形冒口，冒口延续度100；内孔 采用滚圆法设置垂直方向补贴；冒口外侧斜度按照1∶ 10做出，保证补缩通道畅通，高度600mm。 其余各热 节处均按照D1.5～1.8d，分别设置准260mm一只、 准220mm一只和准180mm五只，高度均为450mm。 冒口全部选用foseco保温冒口， 延长冒口凝固时 间，增强冒口补缩效果。 对于侧面与筋板相交处形成的热节较多， 难于 采用冒口进行补缩，因此我们采用尺寸240 mm 40mm30mm直接外冷铁16件对热节局部进行激 冷，以实现同时凝固，保证铸件质量。 对于头部及轴 孔附近壁厚相对较大热节处，由于铸件较高，上部冒 口难于补缩到底部，我们同样采用外冷铁形式，延长 该处冒口垂直方向补缩距离， 以实现由下至上的顺 序凝固； 外冷铁分别为450mm240mm70mm一 件、450mm120mm70mm两件、450mm100mm 70mm一件，其位置及分布见图3。 针对以上工艺，我们又采用华铸CAE软件进行 模拟验证，结果如图4所示缩孔、缩松存在于冒口 和水口中，铸件内部没有发现缺陷，表明此工艺合理 可行。 2.4操作要点 造型采用水玻璃砂手工造型， 型砂全部采用 40/70水洗新砂，SiO2≥97,保证原砂耐火度；圆角 及厚大处外覆一层10mm南非铬铁矿砂， 防止粘 砂。 上、下箱分别设置出气孔，距离模下转第60页 图4新工艺模拟结果 图3新工艺图 准122 准142 R365 60 872 1∶10 30 准180 准260 3 45012070 45010070 45012070 450240070 1 2 1∶10 4504030-16 938 57 金属铸锻焊技术CastingForgingWelding2011年11月 Hot Working Technology2011 , Vol.40,No.21 上接第57页样30mm，密度是每箱空5个，提高 铸型的排气能力。 砂芯采用碱酚醛树脂砂， 同样圆 角处采用铬铁矿砂。在保证砂芯强度前提下，严格控 制树脂及固化剂加入量，以减少树脂砂发气量大、退 让性差造成的气孔和裂纹缺陷。同时，在芯骨上缠绕 草绳，顺至芯头处，以便砂芯气体排出。 涂料采用醇 基锆英粉涂料，在砂型烘干砂芯硬化后施涂，干刷 两遍，涂层厚度在1mm左右，以提高铸件表面质量 和减少粘砂倾向。 浇注前两小时用热风机对砂型进 行加热，加热温度在80～120℃之间，以减少低温砂 型与高温钢水之间温度差，提高钢水流动性，避免冷 隔、浇不足现象发生，提高铸件表面质量。 采用10t碱性电弧炉熔炼， 使用高质量废钢和 硅铁、锰铁等原料，防止有害元素遗传，造成钢液质 量不合格。注意“三期”控制和炉渣控制，待化学成分 在要求范围内，特别是P含量尽可能低，才能出钢。 出钢温度1600℃左右，边出钢边加铝粉进行脱O、S 等元素。出钢后镇静5min。采用钢包底吹氩技术，钢 液翻腾利于杂质及气体上浮，提高钢液纯净度；均匀 钢包内上下钢水温差，以便测温准确。浇注温度控制 在1535～1550℃之间， 保温24h后开箱。 然后在 150℃左右带温切割冒口，防止裂纹产生。 3效果验证 美卓方面特请全球知名检验机构SGS人员进 行磁粉、超声波检查。采用上述工艺方法浇注2件样 件，达到了欧标的铸件二级UT与MT探伤标准；化 学成分及物理性能全都达到图纸要求。为此，美卓方 面与我们签下每年供货144件订单。 参考文献 [1]中国机械工程学会铸造专业学会．铸造手册第五卷铸造工 艺分册[M]．北京机械工业出版社,1997． [2]陈拥军．巴西米轨转向架摇枕的铸造工艺[J]．铸造设备研究, 2007,220-23． 要有锤击、喷丸、炸药爆炸、堆焊等方法。 在俄罗斯、 德国等应用较多的是堆焊技术， 堆焊材料主要有 WC硬质合金和Ni、Mo高铬白口铸铁材料，这种方 法可以用于新斗齿的制造， 又适用于退役旧斗齿的 修复。 一般堆焊后材料可不进行热处理， 但若焊接 质量不好，则焊层在使用过程中易脱落。 再者，研究 人员根据复合材料的特点和斗齿的性能要求， 通过 不同的工艺，研制出镶块斗齿和电渣熔铸斗齿等，目 的都是通过在斗齿表面形成耐磨层， 而心部保持较 高的塑韧性。该方法主要优点是工艺简单，缺点是工 艺质量要求高。 另外， 随着表面技术的发展， 除了上述方法之 外，目前热喷涂、等离子喷涂、激光喷涂等均已成功 应用在斗齿上，使斗齿的性能有大幅度的提高。 4结论 近年来，国外对斗齿材料、结构、制造工艺等研 究的发展非常迅速， 而国内这方面虽说也取得了一 定的成绩，但与国外相比，还存在很大的差距。 由于 斗齿用量大、磨损大、易消耗，所以国内科技人员应 选择斗齿合适材料，优化其结构设计，确定稳定的工 艺参数， 采用表面强化技术等研制出与国外能媲美 的同类产品，是实现斗齿国产化急需解决的问题。 参考文献 [1]胡元哲．大型矿山挖掘机斗齿磨损失效分析与抗磨措施[J]． 润滑与密封,2006,5177165-167． [2]Maris M, Snodya R, Peters J．Analysis of plunge grinding oper- ation[J]．Annals of Cirp,1975,24225-230． [3]吴世常,王青澄,等．挖掘机斗齿抗磨材料及制造工艺的国内 外概况[J]．铸造,1996,745-48． [4]陈再良,李玉兰．矿用挖掘机斗齿的研制[J]．矿山机械,1992, 99-11． [5]徐开德．浙东精密新型斗齿材料获国家专利[J]．工程机械与 维修,2006,610． [6]朱甫洪,田晓惠．用铬钼铌耐磨合金钢制作斗齿和刃口板 [J]．工程机械,2000,434-35． [7] [8]杨烈,李奇林．挖掘帆斗齿结构改进分析[J]．工程机械, 2010,449-11． [9]温新林,王秀梅,崔伟清．斗齿低碳低合金耐磨材料研究[J]． 新技术新工艺,2006,235-36． 60