通過對珠粒預發(fā)泡成型參數(shù)設計，制作空心模樣和冒口，研究設計合理的澆注系統(tǒng)，改善鋼液脫氧，應用鋼水擋渣和過濾凈化技術、先燒后澆等技術，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)了裝載機油缸缸頭鑄鋼件的消失模鑄造，并已進入批量生產(chǎn)，質量穩(wěn)定。

　　油缸是組成裝載機鏟斗升降和翻轉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)生的機械力作用于缸頭。

　　對缸頭的技術要求是不允許產(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ZG270-500。

　　國內就工程機械鑄件生產(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，粘砂嚴重，尺寸精度低，導致油缸缸頭質量無法得到保證。解決缸頭外觀質量差、尺寸精度低等問題，生產(chǎn)出高精準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，由公司總經(jīng)理牽頭，組織鑄造工程技術人員，開展了裝載機油缸缸頭鑄鋼件消失模鑄造工藝的研發(fā)，我們重點做了如下工作：

　　圖1 裝載機油缸部件中的缸頭

　　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)預發(fā)泡、模樣成型各種參數(shù)的調整

　　珠粒預發(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發(fā)密度控制在(18±0.5)g/L，預發(fā)泡溫度96-105℃，預發(fā)泡時間70-75S(用德國圖伯特預發(fā)泡機)。

　　消失模鑄造的特點決定了模樣的表面質量事關后續(xù)鑄件表面質量。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)澆注質量的影響，減少相關的鑄造缺陷(用德國圖伯特成型機)。

　　3)缸頭鑄件結構分析和冒口位置分析及設計

　　3.1缸頭鑄件結構分析

　　圖2為缸頭的鑄件結構三維圖(油道由機加工鉆出)。從圖上可以看出鑄件結構并不復雜。鑄件完成機加工后，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，形成鉸鏈受力支點。油口面及油道構成高壓油通道。

　　圖2 缸頭結構三維圖及主要部位

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

　　圖3 缸頭鑄件的位置面標注

　　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，可以近距離補縮和有很好的補縮通道。但重要問題是要在機加工時銑出凹槽，加工量很大，機加工車間不會同意，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，顯然補縮距離較遠，通道較小，補縮困難;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，對厚大部位的補縮距離很近，但冒口頸偏小，需要增加貼補，不能保證該部位的結構形狀;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，對厚大部位的補縮距離近，冒口頸增加貼補到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，補縮通道不夠，不可取。

　　綜合以上6點分析，只能用第(4)條，即4—油口面位置面的對面放冒口，補縮效果會好，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 缸頭補縮冒口的設計

　　消失模鑄造本身的特點：

　　(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，污染也比較嚴重，到達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。需補縮的位置放置補縮冒口，起補縮及集渣作用。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)的研究設計

　　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)應考慮鑄件外型尺寸較小的作為高度方向，以縮短內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縮;(3)要有利于填砂震實、消除死角、減少變形：(4)便于橫澆道的開設和內澆口的均勻分布，實現(xiàn)平穩(wěn)充型;(5)橫澆道(含內澆道)便于機壓成型，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 實際應用的缸頭澆注系統(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系，鋼水從直澆道入水后，沿T形橫澆道走向分左右兩頭進入6個內澆口，橫澆道3處及4個內澆口切面加放了過濾網(wǎng)，起擋渣作用。由于鑄件屬矮小件，內澆口考慮安放在中部位置，對保持冒口鋼液的高溫補縮有利。連接于冒口之間的拉筋起固定模束作用，保證整體強度，便于浸涂、搬動、埋箱操作。

　　5、鑄鋼澆注擋渣棉的應用

　　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，后面包內生成的渣又會繼續(xù)上浮，隨澆注進入鑄件。

　　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，機加工中途報廢率也高，嚴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。輕質軟質鋯鋁纖維擋渣棉，是一種質輕、質軟、聚渣能力強、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，放在包嘴內側，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，擋渣效果明顯，已列入正常工藝實施，圖8為鋼包擋渣棉的應用。

　　圖8 鋼包澆注擋渣棉的應用

　　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研究，埋箱造型震實參數(shù)的試驗研究，直澆道的先燒后澆的應用等，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)進入比較正常的軌道，鑄造合格率達到90%，機加工合格率達到85%。

　　機加工后產(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)進入到關鍵的沖刺階段。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入各件內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、熱熔膠進行氣化，溫度不停地下降，帶著夾雜物和卷著氣泡進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，造成機加工后出現(xiàn)渣眼和氣孔，而且遠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鍵措施及效果

　　7.1油口體下安裝“傘把”的試驗

　　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件的機加工驗證，渣氣孔基本消除，說明該措施有效，也驗證了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水，若總澆注時間為20秒，則每件的進水時間也為20秒，時間偏長。

　　在中鑄協(xié)消失模實型鑄造分會秘書長李增民教授和具有豐富鋼件鑄造經(jīng)驗的黨廣平高級工程師等專家來我公司現(xiàn)場培訓指導下，我們多次試驗了帶兩道“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加工情況

　　采取關鍵措施后抽檢的機加工情況見表1

　　表1抽檢的機加工情況

　　總共抽查機加工數(shù)量358件，產(chǎn)生缺陷26件，報廢數(shù)4，機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。

　　機加工缸頭見圖15

　　圖15 機加工后的缸頭

　　8) 結論(1)我公司是率先使用消失模鑄造工藝生產(chǎn)裝載機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、外觀質量差、砂眼、縮孔等質量問題，對提高裝載機整機質量水平具有重要意義。

　　(2)選用低碳珠粒材料，設定合理的發(fā)泡、成型參數(shù)，設計空心模樣和冒口，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，冒口的補縮設計不可小視。要充分考慮各個位置安放冒口的可行性和不宜點，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鍵。