通過對珠粒預(yù)發(fā)泡成型參數(shù)設(shè)計(jì)，制作空心模樣和冒口，研究設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，改善鋼液脫氧，應(yīng)用鋼水擋渣和過濾凈化技術(shù)、先燒后澆等技術(shù)，消除了缸頭鑄鋼件容易產(chǎn)生的碳渣、縮孔、夾渣、氣孔等鑄造缺陷，成功研發(fā)了裝載機(jī)油缸缸頭鑄鋼件的消失模鑄造，并已進(jìn)入批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定。

　　油缸是組成裝載機(jī)鏟斗升降和翻轉(zhuǎn)動作的重要精密高壓液壓元件，而缸頭是組成油缸的重要零件(見圖1)，頂升的高壓油通過缸頭傳至油缸，油缸產(chǎn)生的機(jī)械力作用于缸頭。

　　對缸頭的技術(shù)要求是不允許產(chǎn)生縮孔、氣孔、砂眼、夾渣等任何缺陷，在20MPa高壓油下不滲漏，材質(zhì)ZG270-500。

　　國內(nèi)就工程機(jī)械鑄件生產(chǎn)行業(yè)來說，缸頭鑄鋼件的生產(chǎn)工藝落后，設(shè)備簡陋，控制手段差。大多采用傳統(tǒng)的水玻璃砂鑄造，鑄件外觀差，粘砂嚴(yán)重，尺寸精度低，導(dǎo)致油缸缸頭質(zhì)量無法得到保證。解決缸頭外觀質(zhì)量差、尺寸精度低等問題，生產(chǎn)出高精準(zhǔn)的鑄鋼缸頭迫在眉睫。

　　福建龍工鑄鍛公司，審時度勢，投入大量研發(fā)經(jīng)費(fèi)，由公司總經(jīng)理牽頭，組織鑄造工程技術(shù)人員，開展了裝載機(jī)油缸缸頭鑄鋼件消失模鑄造工藝的研發(fā)，我們重點(diǎn)做了如下工作：

　　圖1 裝載機(jī)油缸部件中的缸頭

　　1)鑄鋼件泡沫珠粒的選用

　　在消失模鑄鋼生產(chǎn)中選擇適合的珠粒至關(guān)重要，適用于消失模生產(chǎn)模樣的珠粒主要有兩種：EPS(聚苯乙烯)、STMMA(聚苯乙烯甲基丙烯酸甲酯)。

　　EPS含有92%的碳，容易在鑄件表面形成碳渣缺陷和對鑄鋼件表面增碳，使鑄件的加工量變大，特別是鑄鋼件表面增碳硬度提高，使鑄件加工性能和焊接性能惡化。EPS模樣對鋼表面增碳量一般為0.3-0.5%。

　　STMMA模樣對鑄鋼件表面增碳量一般≤0.1%，極大的減少了鑄鋼件的表面增碳缺陷，保持鑄鋼件的原有加工性。因而鑄鋼件采用消失模鑄造，為防止鑄鋼件表面增碳，我們選用STMMA共聚珠粒材料。

　　2)預(yù)發(fā)泡、模樣成型各種參數(shù)的調(diào)整

　　珠粒預(yù)發(fā)泡密度的控制是整個模樣制作的重要工藝參數(shù)，既為了保證模樣有足夠的強(qiáng)度和剛度，減少變形，又為了減少后續(xù)澆注的碳渣及增碳缺陷。

　　鑄鋼件模樣成型珠粒預(yù)發(fā)密度控制在(18±0.5)g/L，預(yù)發(fā)泡溫度96-105℃，預(yù)發(fā)泡時間70-75S(用德國圖伯特預(yù)發(fā)泡機(jī))。

　　消失模鑄造的特點(diǎn)決定了模樣的表面質(zhì)量事關(guān)后續(xù)鑄件表面質(zhì)量。為成型出表面光滑、融合良好的模樣表面，成型時采用高壓力成型并保壓定型(壓力控制在0.8-0.9Bar,時間25-30S)，保證模樣光滑表面及內(nèi)部融合良好，以減少模樣的揮發(fā)份含量，減低對后續(xù)澆注質(zhì)量的影響，減少相關(guān)的鑄造缺陷(用德國圖伯特成型機(jī))。

　　3)缸頭鑄件結(jié)構(gòu)分析和冒口位置分析及設(shè)計(jì)

　　3.1缸頭鑄件結(jié)構(gòu)分析

　　圖2為缸頭的鑄件結(jié)構(gòu)三維圖(油道由機(jī)加工鉆出)。從圖上可以看出鑄件結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。鑄件完成機(jī)加工后，帶凹槽的缸頭止口套入缸套，外圓焊接坡口面與缸套形成焊接坡口，再整圈滿焊，就制作成油缸的缸頭部分(回見圖1)。軸承孔安裝軸承碗和銷軸后，形成鉸鏈?zhǔn)芰χc(diǎn)。油口面及油道構(gòu)成高壓油通道。

　　圖2 缸頭結(jié)構(gòu)三維圖及主要部位

　　3.2 冒口位置分析及設(shè)定為便于冒口位置分析，對缸頭鑄件的幾個位置面進(jìn)行標(biāo)注(見圖3)

　　圖3 缸頭鑄件的位置面標(biāo)注

　　從圖上看出缸頭分有7個位置面，即1—帶凹槽位置面;2—軸孔外圓頂部位置面;3—油口面位置面;4—油口面位置面的對面;5、6—厚大部位位置面;7、—焊接端面外圓位置面。

　　(1)若在1—帶凹槽位置面上放冒口，先要把凹槽填平，再放置冒口，可以近距離補(bǔ)縮和有很好的補(bǔ)縮通道。但重要問題是要在機(jī)加工時銑出凹槽，加工量很大，機(jī)加工車間不會同意，不可取(見過凹槽填平放冒口鑄件，有廠家用該方法)。

　　(2)若在2—軸孔外圓頂部位置面上放冒口，顯然補(bǔ)縮距離較遠(yuǎn)，通道較小，補(bǔ)縮困難;頂部近似球形，冒口不好氣割修磨，不可取。

　　(3)若在3—油口面位置面上放冒口，對厚大部位的補(bǔ)縮距離很近，但冒口頸偏小，需要增加貼補(bǔ)，不能保證該部位的結(jié)構(gòu)形狀;油口面屬耐壓部位，放頂部易存夾渣，不可取。

　　(4)若在4—油口面位置面的對面放冒口，對厚大部位的補(bǔ)縮距離近，冒口頸增加貼補(bǔ)到7位置面時，可以做大。是一個比較可行的方案，但增加冒口的氣割和修磨量。

　　(5)若在5或6—厚大部位位置面放冒口，補(bǔ)縮距離很近，但位置太小，冒口根部還帶圓臺，無法氣割和修磨，不可操作，不可取。

　　(6)若只在7位置面，即焊接面外圓頂部放冒口，補(bǔ)縮通道不夠，不可取。

　　綜合以上6點(diǎn)分析，只能用第(4)條，即4—油口面位置面的對面放冒口，補(bǔ)縮效果會好，但氣割和修磨量大。圖4為鑄件剖面后的厚大部位， 圖5為帶澆冒口的鑄件。

　　圖4 鑄件剖面后的厚大部位

　　圖5 帶澆冒口的鑄件

　　3.3 缸頭補(bǔ)縮冒口的設(shè)計(jì)

　　消失模鑄造本身的特點(diǎn)：

　　(1)泡沫塑料模樣材料是一種不透氣的材料，在澆注過程中冒口最后接觸金屬液，型腔內(nèi)的氣體無法象明冒口一樣可通過冒口排除。

　　(2)金屬液澆注下去以后，先是泡沫塑料的分解、氣化，然后金屬液取而代之。分解、氣化是個吸熱過程，使金屬液前沿的溫度比在砂型鑄造時下降很多，同時，這些金屬液直接與模樣的分解、氣化產(chǎn)物接觸，污染也比較嚴(yán)重，到達(dá)冒口中的金屬液除溫度降低外還會聚集較多的浮渣。

　　因而消失模鑄造生產(chǎn)鑄鋼件時要比砂型鑄造的冒口大一些，為了節(jié)省材料及減少發(fā)氣量，較大的冒口一般做成空心的。需補(bǔ)縮的位置放置補(bǔ)縮冒口，起補(bǔ)縮及集渣作用。圖6為缸頭空心冒口三維圖。

　　圖6 缸頭空心模片、冒口三維圖

　　4)澆注系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

　　4.1 澆注系統(tǒng)的確定主要考慮以下因素

　　(1)要保證鋼液的平穩(wěn)充型，盡量采用底注式或中部入水(矮小鑄件)澆注工藝，減少鋼液的卷氣、氧化和夾渣;(2)應(yīng)考慮鑄件外型尺寸較小的作為高度方向，以縮短內(nèi)澆口至鑄件或冒口最高處的鐵液行程，對鑄鋼件特別要考慮有利于排渣和補(bǔ)縮;(3)要有利于填砂震實(shí)、消除死角、減少變形：(4)便于橫澆道的開設(shè)和內(nèi)澆口的均勻分布，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)充型;(5)橫澆道(含內(nèi)澆道)便于機(jī)壓成型，要有利于直澆道的連接和固定;(6)最高處不宜是薄壁部位，要有利于安裝冒口和有利于澆冒口的去除;(7)保證高壓油道和液壓閥面的致密性;(8)橫澆道安裝后要有利于泡沫模的浸涂和烘烤：(9)保證合適的吃砂量情況下，盡可能多排鑄件，以提高生產(chǎn)力和出品率;(10)對于鑄鋼件要考慮過濾網(wǎng)的安裝等。

　　4.2 實(shí)際應(yīng)用的缸頭澆注系統(tǒng)

　　圖7為ZL50F-71缸頭安裝澆冒口后的圖片

　　圖7，ZL50F-71缸頭安裝澆冒口后的圖片

　　從圖上可以看出澆道、冒口和鑄件之間的位置關(guān)系，鋼水從直澆道入水后，沿T形橫澆道走向分左右兩頭進(jìn)入6個內(nèi)澆口，橫澆道3處及4個內(nèi)澆口切面加放了過濾網(wǎng)，起擋渣作用。由于鑄件屬矮小件，內(nèi)澆口考慮安放在中部位置，對保持冒口鋼液的高溫補(bǔ)縮有利。連接于冒口之間的拉筋起固定模束作用，保證整體強(qiáng)度，便于浸涂、搬動、埋箱操作。

　　5、鑄鋼澆注擋渣棉的應(yīng)用

　　消失模鑄造的澆注系統(tǒng)不具備擋渣功能，所以灰鐵件澆注要用茶壺包。但鑄鋼件澆注時茶壺口容易堵塞，無法使用茶壺包。若用底漏澆注則澆注一箱要塞包一次，一旦塞不注，鋼水將溢漏至砂箱和澆注臺上，造成事故，不采用。而單靠人工扒渣，由于鋼液1600多度的高溫輻射環(huán)境，是很難扒除干凈的。況且即使扒除干凈了，后面包內(nèi)生成的渣又會繼續(xù)上浮，隨澆注進(jìn)入鑄件。

　　澆注的鋼件存在大量夾渣就成為主要問題，不僅鑄造合格率低，機(jī)加工中途報(bào)廢率也高，嚴(yán)重制約了消失模缸頭鑄鋼件的開發(fā)。

　　通過外出參加會議和參觀交流，得到了鋼件澆注使用擋渣棉的方法。輕質(zhì)軟質(zhì)鋯鋁纖維擋渣棉，是一種質(zhì)輕、質(zhì)軟、聚渣能力強(qiáng)、隔熱遮光效果佳、使用安全的產(chǎn)品。用一合適的尺寸片狀，在澆包鋼液扒渣后，放在包嘴內(nèi)側(cè)，緊貼鋼液表面和包壁，其余液面撒上集渣劑，就可按正常澆注。

　　初步試用和方法改進(jìn)，擋渣效果明顯，已列入正常工藝實(shí)施，圖8為鋼包擋渣棉的應(yīng)用。

　　圖8 鋼包澆注擋渣棉的應(yīng)用

　　6、缸頭產(chǎn)品的效果檢查及缺陷分析

　　6.1 缸頭產(chǎn)品的效果檢查

　　通過上述所做工作及同時開展的：浸涂涂料及浸涂工藝的研究， 烘烤的放置和烘烤工藝改進(jìn)研究，埋箱造型震實(shí)參數(shù)的試驗(yàn)研究，直澆道的先燒后澆的應(yīng)用等，先后解決了缸頭的縮孔、碳渣和大部夾渣問題，缸頭的生產(chǎn)進(jìn)入比較正常的軌道，鑄造合格率達(dá)到90%，機(jī)加工合格率達(dá)到85%。

　　機(jī)加工后產(chǎn)生的廢品主要集中于缸頭的油口面渣眼和油道的滲漏,缸頭的研發(fā)進(jìn)入到關(guān)鍵的沖刺階段。圖9為批量生產(chǎn)退火后的缸頭，圖10為缸頭機(jī)加工后油口面渣眼、氣孔缺陷。

　　圖9 批量生產(chǎn)退火后缸頭

　　圖10 油口面渣眼、氣孔缺陷

　　6.2 油口面渣眼、氣孔缺陷分析

　　鋼水從直澆道入水后，先頭的鋼水沿橫澆道走向分別進(jìn)入各件內(nèi)澆口并先充型底部凹槽的油口體(見圖11)，該前沿鋼水沿途對泡沫、熱熔膠進(jìn)行氣化，溫度不停地下降，帶著夾雜物和卷著氣泡進(jìn)入油口體后停留不動，溫度繼續(xù)下降，夾雜物和氣泡來不及上浮，就被凝固在油口體，造成機(jī)加工后出現(xiàn)渣眼和氣孔，而且遠(yuǎn)離直澆道的兩件比例大些。

　　圖11 底部凹槽的油口體

　　7)解決油口面鑄造缺陷關(guān)鍵措施及效果

　　7.1油口體下安裝“傘把”的試驗(yàn)

　　在油口體下方粘接一帶勾的“傘把”(見圖12)，使6.2所述的前沿鋼水不停留在油口體凹槽上，而是被排到“傘把”里，通過3串18件的機(jī)加工驗(yàn)證，渣氣孔基本消除，說明該措施有效，也驗(yàn)證了6.2所分析的正確性。但該操作麻煩，沒有繼續(xù)。

　　圖12 油口體下安裝“傘把”

　　7.2 帶“拱橋”式橫澆道的應(yīng)用

　　原來使用平直的橫澆道，一串6件的澆注幾乎是每件同時進(jìn)水，若總澆注時間為20秒，則每件的進(jìn)水時間也為20秒，時間偏長。

　　在中鑄協(xié)消失模實(shí)型鑄造分會秘書長李增民教授和具有豐富鋼件鑄造經(jīng)驗(yàn)的黨廣平高級工程師等專家來我公司現(xiàn)場培訓(xùn)指導(dǎo)下，我們多次試驗(yàn)了帶兩道“拱橋”的橫澆道(圖13)，意在“拱橋”起先期的攔水作用，讓“拱橋”前面的兩件缸頭先大部分澆滿，可溢過“拱橋”時，再流入下一對兩件。

　　以此方式，過兩道“拱橋”，使三對的兩件、兩件缸頭陸續(xù)充滿。這樣每件缸頭的澆注入水時間就為原來的三分之一，快速的充型使溫度下降大為減少，使夾雜物和氣泡在鋼水凝固前得以上浮，以消除油口體的夾渣缺陷，圖14為帶“拱橋”澆道的鑄件，表面光潔。該方法操作簡單有效，批量驗(yàn)證后，已工藝固化。

　　圖13 帶“拱橋”的橫澆道

　　圖14 帶“拱橋”澆道的光潔鑄件

　　7.3 鋁塊脫氧劑代替廢鋁線

　　發(fā)現(xiàn)了廢鋁線芯部含有1/4至1/3重量的鍍鋅鋼絲，造成實(shí)際脫氧劑加入量不夠，而且鍍鋅熔入鋼水后，鑄件凝固時析出氣孔的可能性增大。第一步，增加廢鋁線的加入量;第二步，用純鋁塊脫氧劑替代含鍍鋅鋼絲廢鋁線，提高脫氧效果，減少油口面氣孔。

　　7.4采取措施后抽檢的機(jī)加工情況

　　采取關(guān)鍵措施后抽檢的機(jī)加工情況見表1

　　表1抽檢的機(jī)加工情況

　　總共抽查機(jī)加工數(shù)量358件，產(chǎn)生缺陷26件，報(bào)廢數(shù)4，機(jī)加工一次合格率平均數(shù)91.6%，最終合格率98.9%，取得了較為滿意的效果。

　　機(jī)加工缸頭見圖15

　　圖15 機(jī)加工后的缸頭

　　8) 結(jié)論(1)我公司是率先使用消失模鑄造工藝生產(chǎn)裝載機(jī)油缸鑄鋼件缸頭的廠家之一，缸頭鑄鋼件研發(fā)的成功，填補(bǔ)了龍工鑄鍛公司沒有生產(chǎn)耐高壓油缸缸頭的空白。對解決傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的缸頭頭尺寸精度低、外觀質(zhì)量差、砂眼、縮孔等質(zhì)量問題，對提高裝載機(jī)整機(jī)質(zhì)量水平具有重要意義。

　　(2)選用低碳珠粒材料，設(shè)定合理的發(fā)泡、成型參數(shù)，設(shè)計(jì)空心模樣和冒口，提高澆注速度是消除產(chǎn)生碳渣的重要措施。對于尺寸矮小的鑄鋼件，做成空心模樣后，產(chǎn)生碳渣的可能性很小。

　　(3)為保證鋼件的致密性，特別是耐高壓件，冒口的補(bǔ)縮設(shè)計(jì)不可小視。要充分考慮各個位置安放冒口的可行性和不宜點(diǎn)，定出合理的澆注位置和冒口形狀。

　　(4)消失模澆道不具備擋渣功能又不能用茶壺包，對鋼液的凈化、排渣、擋渣和浮渣的好壞是解決鋼件存在夾雜物的關(guān)鍵。