大型立式车床立柱裂纹缺陷的原因分析与对策.pdf
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1、462023 年第 S2 期铸件缺陷与预防大型立式车床立柱裂纹缺陷的原因分析与对策立柱作为机床承重的重要功能部件之一,铸件要求不能有裂纹缺陷,但其结构、形状复杂,壁厚差异性大,给立柱毛坯铸件的生产带来了较大的难度,同时,笔者公司生产的大型立式车床 CH5125B 系列立柱端面结构更为特殊,为“M”字型,其转角独特、壁厚不均匀,在铸造的过程中法兰及端头、尖角突变等处均容易产生裂纹,并且裂纹倾向要远远大于其他类型立柱。轻则产生细小裂纹,重则形成端头贯穿性的裂纹,都会导致立柱铸件报废。对大型立式车床 CH5125B 系列立柱毛坯铸件这种裂纹缺陷的形成原因及对策进行探究,防止并解决此类缺陷的发生,保证
2、立柱铸件的质量。1CH5125B 立柱铸件简介笔者公司生产的 CH5125B 立柱是大型立式车床主要的承重部件,铸件的断面结构如图 1 所示,铸件最大尺寸中的长、宽、高分别为 4.55 m、2.96 m、1.56 m,毛重 14.9 t,平均壁厚 25 mm,导轨处壁厚 100130 mm。材质牌号为 HT250,技术要求:A 型石墨,抗拉强度 250 MPa。从图 1 中可以看出其独特的“M”字型结构,存在突变的“尖角”且铸件壁厚均匀性差,铸件结构复杂。图 1 CH5125B 立柱铸件截面Fig.1 CH5125B column casting section2CH5125B 立柱铸件生产情
3、况2.1CH5125B 立柱铸造工艺铸造工艺采用呋喃树脂砂,地坑造型,铸件导轨在砂型最下方,侧面底注浇注方式进入铁液,采用的是封闭式浇注系统,浇道比为 S直S横S内=1.221.151,直浇道截面积为 307 cm2,横浇道截面积为 288 cm2,内浇道截面积为 250.8 cm2。熔炼工艺采用 20 T 中频感应电炉熔炼铁液,原材料使用废钢、Z18 生铁、回炉料、93%非晶体增碳剂、99%晶体增碳剂、90%碳化硅,75%硅铁、65%锰铁。炉料配比采用 40%废钢+15%生铁+45%回炉料进行熔化,具体的化学成分控制范围如表 1 所示。表 1 CH5125B 立柱的化学成分(质量分数,%)T
4、ab.1 Composition range of CH5125B column(mass fraction,%)元素CSiMnSPCr含量3.03.11.72.01.01.3 0.12 0.12 0.25张轲,麻于科,杨华,郭文清,潘密(武汉重型机床集团有限公司 武汉武重铸锻有限公司,湖北 武汉 430205)摘要:介绍了大型立式车床立柱铸件的结构及技术要求,详细阐述了原生产工艺及铸件出现裂纹的位置和特征,针对大型立式车床立柱存在的裂纹问题进行了分析,认为铸件壁厚不均,当壁厚的凝固处于弹性阶段时期铸造应力超过机械强度后引起了冷裂纹的产生。采取了优化端面芯头结构、形状大小及层次,优化铸件部分圆
5、,调整化学成分,保证铸件上表面壁厚均匀,调整开箱起坑工序等措施。生产结果显示:生产验证的 16 件同型号、同类型的立柱铸件均没有产生裂纹缺陷,此种裂纹缺陷得到有效解决。关键词:灰铸铁;立柱;裂纹中图分类号:TG245文献标识码:B文章编号:1673 3320(2023)S2 0046 03收稿日期:2023-03-10修定日期:2023-09-12作者简介:张轲(1986-),男,汉族,湖北省汉川市人,毕业于湖北汽车工业学院材料科学与工程专业,高级工程师,目前主要从事造型工艺研究工作,E-mail:。通信作者:潘密(1985-),男,高级工程师,E-mail:。2023 年第 S2 期铸件缺陷
6、与预防47在包内进行一次孕育,孕育剂选用长效的硅钡孕育剂,加入量为 0.3%0.5%,粒度为 515 mm,浇注温度控制在 1 3101 350,浇注后冷却 180 h 开箱起坑。2.2CH5125B 立柱存在的问题首轮铸件试生产试验后,2 件毛坯铸件均在某一端头出现严重的贯穿性裂纹缺陷,导致铸件报废,左右芯头窗口处均产生了裂纹,且不在固定位置,裂纹随机性大,造成了较大的经济损失。裂纹图片如图 2 所示。图 2 CH5125B 立柱法兰处贯穿裂纹Fig.2 Penetration crack at column flange2.3CH5125B 立柱裂纹原因分析由图 2 可以看到,裂纹均从端头
7、的芯头圆角靠近中间壁处裂至上分型面。观察 CH5125B 立柱裂纹的宏观表现,发现外形笔直并且裂纹内壁呈明显撕裂的金属光泽,铸件上半部方形芯头孔的存在让铸件形成了类似“日”字型的应力框,从而造成铸件端头四周均存在拉应力,但是由于两端头壁薄冷却快,可以快速完成凝固,中间壁厚冷却慢,其凝固还处于弹性温度范围,厚壁部位相对薄壁部位凝固速度慢,因收缩受阻而形成的拉应力将处于高位阶段呈塑性状态的低强度部位拉裂1,2,亦即铸造应力超过合金的机械强度极限后导致了裂纹的产生。裂纹亦是从左芯头右、下角或右芯头左、下角及圆角的披锋薄弱处开始向拉应力强的方向延伸,受应力大小情况影响,轻则产生细裂纹、重则产生贯穿性裂
8、纹。再结合文献2中描述的冷裂纹:外形呈直线状或较规则曲线状,穿晶而过,断口干净呈金属色泽或较轻氧化色的典型特征,以及实际的 CH5125B 立柱裂纹宏观表现,综合判断 CH5125B 立柱的裂纹属于典型的冷裂纹。冷裂纹产生的主要原因3与铸件结构、圆角大小、合金成分、浇注系统、开箱时间等有关,由于CH5125B 立柱独特的“M”字型结构不合理,无法更改,因此,需要从铸造工艺及熔炼工艺着手,来解决铸件的冷裂纹问题。3CH5125B 立柱裂纹防止措施及效果3.1防止措施(1)优化端面芯头结构、形状大小及层次结合上述分析,铸件结构上针对 CH5125B 立柱优化方形孔的芯头大小及圆角,采取增大芯头圆角
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