大型轧机轴承座的铸造工艺改进

发布时间：2024-01-29

摘　要：针对轴承座铸件冒口间的缩松缺陷， 采用集中补缩的工艺措施将分散小冒口改为单独大冒口， 并利用MAGMA软件进行凝固模拟分析，生产了优质的轴承座铸件。经生产验证，改进后的冒口工艺不仅消除了铸件的缩松缺 陷，而且铸件质量稳定。

支撑辊轴承座是轧机的关键零件之一，服役条件恶劣，长期处在高温、高强度冲击力的环境下工作，要求铸件具备良好的综合力学性能[1]。轴承座在铸造过程中容易出现缩孔、疏松、裂纹、气孔等缺陷，从而影响铸件的使用性能。同时，由于受设备能力、工艺装备、作业环境等诸多因素的影响，厚大铸件在制造过程中经常因为夹杂物、缩松、晶粒粗大等缺陷导致探伤不合格[2]。因此，通过铸造工艺的改进减少厚大铸件的铸造缺陷，减少铸件的返修，提高铸件的质量具有十分重要的意义。

1、轴承座的技术要求

轧机支撑辊轴承座铸件，其轮廓尺寸为1850mm×1708mm×854mm，最小壁厚为136mm，最大壁厚为617mm，铸件重15500kg。铸件质量的要求主要包括化学成分、力学性能、无损检验等。铸件材料执行德国标准DIN17182中GS-20Mn5+N，其化学成分和力学性能如表1、表2。铸件要求整体进行超声波探伤和磁粉探伤，其超声波探伤按照标准EN12680-level2执行，磁粉探伤按照标准EN1369-LM2/AM2/SM2执行。

2、铸造工艺设计及改进

2.1分型面

根据轴承座的结构特点，采用上、中、下三箱造型。下箱采用实样造型，中箱采用抽芯实样和组芯的复合造型，上箱采用盖箱造型。下箱与中箱采用定位销的方法，中箱与上箱采用定位线的方法合箱，保证型腔的尺寸精度。

2.2造型材料

铸钢件的浇注温度高，而且轴承座的最大壁厚为617mm,最小壁厚为136mm，所以采用耐火度较高的铬铁矿砂作为面砂,防止铸件在凝固过程中发生粘砂缺陷。在铸型表面涂刷3~5遍醇基锆英粉涂料，每次刷完后用砂纸打磨光滑再涂刷下一遍，保证涂料的厚度到达约2mm。选择铬铁矿砂和锆英粉涂料的使用，不但有效地减少铸件表面粘砂，而且铸件的表面质量显著提高。

2.3浇注系统

钢液的浇注温度高、流动性差、易氧化，因此要求快速、平稳充型。铸造工艺设计中选取浇注系统为开放式浇注系统，使用钢液上升速度计算法计算该铸件浇注系统各单元的尺寸，其中钢包孔、直浇道、横浇道、内浇道的截面积比例A水口∶A直∶A横∶A内=1.0∶2.25∶2.5∶3.0。采用底注式+切线式的浇注方式，底注式可以使内浇道从铸件底面引入，保证钢液在型腔内平稳上升；同时切线式内浇道使钢液在型腔内旋转，有利于浮砂、气体、夹杂物等进入冒口，减少铸件缺陷的产生。整个浇注系统均采用高铝耐火砖管连接，采用底注包浇注，浇注温度控制在1550~1560℃。

2.4冒口设计

2.4.1原冒口工艺

由于轴承座属于厚大铸件，在4个角的位置都存在分散的热节，在铸件凝固过程中容易出现缩孔、缩松缺陷。在铸造工艺设计时依据模数法、热节圆法设计冒口大小，在热节处分别设置明冒口，在两个大热节处设置一个的腰圆式冒口，冒口尺寸大小Y750mm×950mm、浇高1000mm；在两个小热节处分别设置圆形冒口，冒口直径大小准700mm、浇高1000mm。原冒口工艺方案见图1。

分散冒口的工艺方案首批生产 4 件轴承座，超 声波探伤合格率低，其中 3 件轴承座在两个冒口之 间发现缺陷，距离分型面100～150 mm范围内。经分析缺陷为缩松， 生产时采用焊接的方式进行修 复，但是缩松缺陷的焊接难度大，大大增加了生产成本，同时也面临着铸件报废的风险。

2.4.2冒口工艺的改进

为了消除冒口间的缩松缺陷，提高铸件的探伤合格率，减少铸件的焊补返修，改进了轴承座的冒口工艺方案。在轴承座的内孔上方设置一个单独的圆形冒口，冒口尺寸准1100mm、浇高900mm，并将内孔局部铸实作为补贴。采用集中补缩代替分散补缩的工艺思路改进了冒口工艺方案，即为1个大冒口取代3个小冒口，同时改进前和改进后的冒口重相当不会造成成本增加，改进后的冒口工艺方案见图2。

2.5凝固模拟

凝固模拟可以预测铸件的缩孔、缩松的位置，有利于铸造工艺验证和优化，对降低生产成本和提高铸件质量方面起着很大的作?。针对轴?座改进前和改进后的冒口工艺方案，利用MAGMA凝固模拟软件分别进行模拟分析，其模拟结果见图3、图4。通过模拟结果的对比分析：改进冒口的方案更有利于冒口的集中补缩，冒口中的钢液更能长时间地保持在高温状态，使冒口与铸件之间形成了明显的温度梯度，实现铸件的顺序凝固，提高了冒口的补缩效果。

2.6改进效果

采用改进冒口的工艺共生产了4批24件轴承座，铸件在砂型内保温结束后打箱清砂，热处理消除铸造应力后切割?口，冒口根部组织致密。轴承座粗加工后进行超声波探伤检验，铸件内部组织致密均没有发现缩孔、缩松缺陷，而且铸件质量稳定。

3、结论

针对批量生产的轴承座，通过对铸造工艺的研究，并运用 MAGMA 模拟软件对轴承座进行凝固过程模拟，采用大冒口集中补缩代替小冒口分散补缩的工艺优化，使冒口与铸件形成了明显的温度梯度， 实现铸件的顺序凝固。经生产验证，改进冒口的工艺方案消除了铸件的缩孔、缩松缺陷，提高了铸件的质 量， 为今后生产类似铸件的铸造工艺方案具有一定的指导意义。

来源：铸造技术

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