锻造操作机是锻造水压机的主要配套设备，亦属于重载设备，其内部结构非常复杂，可以完成行走、旋转、升降、横移、前倾等动作，配合水压机完成锻造生产工作。钳杆座是锻造操作机上的重要部件之一，起到支撑、固定的作用，在使用过程中受力较大，工作环境也很差，因此对其内部质量要求较为严格，通常要求进行整体的无损探伤，相对铸造难度较大。

      公司于2007年生产了一台出口锻造操作机，其钳杆座毛重为32500 kg，钢液总重为51500 kg，材质为GS-20Mn5V。这件产品的轮廓尺寸较大（4 550 mm×1880 mm×2270 mm），几何形状十分复杂（图1），主体呈不规则筒形结构，并在两端附有不同形状的圆筒、筋板和凸台，总体壁厚较薄且不均匀，不易实现均匀、顺序补缩，在局部易产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷。

     铸件在凝固时受到砂型、芯的阻力较大，易产生较大的尺寸偏差。铸件需要按图2所示经过整体的超声波检验和磁粉检验，图中点划线所示部位的超声波探伤验收标准执行DIN 1690 V2级质量要求，磁粉探伤验收标准执行DIN 1690 S2质量要求，其余部位的超声波探伤验收标准执行DIN 1690 V3级质量要求，磁粉探伤验收标准执行DIN 1690 S3质量要求，要求比较严格。

1.1 铸件的铸造工艺性分析

     铸件的几何形状、内部结构均十分复杂，壁厚不均匀，局部热节较多且分散，不利于钢液集中补缩，易产生缩孔、缩松缺陷，可以在铸件局部放置适当的外冷铁，加快这些位置的冷却速度[1]，在铸件的下半部分创造同时凝固的条件；在铸件上部的冒口下设计合适的补缩增肉，创造钢液补缩通道，在铸件上半部分形成顺序凝固的条件，来保证铸件的内部质量。铸件在凝固收缩时受到的阻力较大，容易造成较大的尺寸偏差，需要选择正确的线收缩率，并在局部设置适当的补正量。铸件内腔芯子较多，出砂孔较少，浇注过程中浮力较大，所以在工艺设计时要充分考虑砂芯的固定、排气以及清理时的出砂，避免发生砂芯“串动”、“漂浮”、“呛火”等事故，并为后序的清砂工作创造方便条件。

1.2 铸件分型面的确定

    铸件局部的最大厚度为150 mm，而主体不规则锥形筒以及其他部位的壁厚在80～115 mm之间，因此将铸件的最大热节部位放置在上面，便于放置冒口，更有利于钢液的补缩。以铸件顶部作为分型面，使铸件的大部分位于地坑之内，便于铸件合箱后的压铁及浇注操作，可以保证中间大芯固定牢固，保证生产的安全性。

1.3 工艺参数的设置

     根据钳杆座的形状和结构，其外部主体结构在收缩时受阻较小，局部的凸出结构（图3的Ⅰ、Ⅱ部位），收缩时受到一定的限制。铸件的内腔（不规则锥形筒）在收缩时受到内部砂芯的阻碍，因此针对铸件的这种结构，为其选择两个不同的线收缩率[2]，并在局部给出工艺补正量，可以保证铸件的成形尺寸。

1.4 冒口及浇注系统的设计

      根据铸件的结构特点，无法完全做到顺序凝固，在铸件的下半部分，通过使用不同规格、尺寸的外冷铁，使其达到同时凝固的条件。在铸件的上半部分，通过设计一些补缩通道，使其形成一定的温度梯度，达到顺序凝固的条件，结合使用不同规格的冒口，来保证铸件内部的致密性。经过计算，为铸件设置4个冒口。铸件的两端热节较大，需要的补缩量较大，但是铸件的壁厚较薄，先凝固后堵塞了补缩通道，使冒口不能发挥有效作用。因此，将冒口下的轴孔铸死或增加补贴，保证必要的补缩通道，以充分发挥冒口的补缩作用。铸件中间筒体直径为930 mm，与两端凸台的高度差别较大，因此，据铸件的实际位置，选择了暗冒口与明冒口相结合的方式，如图4所示，中间两个冒口采用暗冒口的方式，两边采用明冒口的方式，以合理发挥每个冒口的补缩作用，提高钢液利用率，降低钢液总量。

     由于铸件的形状复杂，壁厚较小，为保证铸件的内部质量，将钢液的上升速度设计为21 mm/s，浇注温度为1555～1 570 ℃，以避免产生夹砂、夹渣、隔层、浇不足等缺陷。因此包孔采用Φ80mm×2，每秒钟钢液流量约为300kg。铸件的浇注系统设计为开放式，直浇道和横浇道均选用Φ120mm，内浇道选择Φ60 mm，共分两层，每层8道。铸件高度为2 270 mm，冒口高度为1200 mm，为避免钢液向下的冲击力过大，在高度方向设置三层缓冲直浇道（图5）。内浇道设计为底返式和侧进式两种。底返式浇道在制作砂芯时直接放置好，在砂芯侧面留出内浇道的进入通道，下芯后在侧面使用砖管接入横浇道内。侧进式浇道在卧放时要求与铸件本体成30°角，避免钢液直接冲击内腔砂芯。在分型面上方专门设置一层点浇浇道，当浇至分型面上400～450 mm后结束第一次浇注，采用专用点浇工艺，钢包由浇口移至点浇专用浇口，由冒口上方注入钢液，用半开包孔缓慢浇至工艺浇高1 200 mm。在第一次浇注结束后至点浇开始这段时间内，铸型内钢液有了一定的收缩，而且，因为是从冒口上方注入钢液，可以形成有效的温度梯度，能保证对铸件充分补缩，提高冒口的补缩效率。

1.5 冷铁的使用

     冷铁的尺寸依据局部凸台的几何尺寸而定，计算外冷铁的厚度可以根据简易公式：T=0.64，根据实际生产经验，外冷铁的厚度选择为局部铸件壁厚的一半[3]。冷铁尺寸不宜过大，减轻冷铁本身的重量，便于工人实际操作。冷铁间距等于外冷铁宽度的一半，使冷铁间的型砂具有一定的退让性。

     外冷铁材质为ZG230-450。表面要打磨平整、光滑，露出金属光泽。修型时，与砂型表面一样涂刷涂料，要注意烘干，避免因燃烧不充分造成的气孔缺陷。

1.6 砂芯的设计

     设计人员考虑到减轻零件的重量，内部设有较多减重腔体，只在局部设计了较小的清砂孔，造成铸件形状比较复杂。这些腔体都需要通过使用砂芯来成形，在浇注及凝固过程中，这些砂芯都由高温钢液包裹，砂芯受到钢液的烘烤、浸蚀，而且承受较大的浮力，并且由于出砂孔较小，砂芯的固定、排气、清砂都存在一定的困难，如果考虑不周或操作不当，会造成“呛火”、砂芯漂浮等恶性事故。因此砂芯的设计是这个铸件工艺设计中的重点。

    如图6所示，在8# 芯和14# 芯位置的腔体，仅两侧存在清砂孔，出气和固定都存在很大的困难。因此，制芯前在8# 芯和14# 芯芯盒内的出砂孔中心位置做好标记，在制芯时砂芯内部均匀放置空心尼龙排气绳，并将这些排气绳按标记集中引至出砂孔中心位置。在与之相邻的7#、17# 盒内按相同位置做出Φ58 mm×20 mm定位凸台，打芯时在凸台上卧放Φ60 mm陶瓷砖管，砂芯装配后，使用陶瓷砖管构建专用排气通道引至分型面以上。这样，8# 芯和14# 芯在浇注过程中产生的气体，沿空心尼龙绳汇集到专用通道排出型腔之外，保证排气通畅。

     铸件的狭长筒状内腔由两块9# 砂芯形成，砂芯长度超过5 m，经过计算，浇注时产生的浮力约为22 t。由于砂芯较长，如果固定措施不当，在巨大的浮力作用下易产生弯曲变形，造成铸件壁厚不均，形成尺寸偏差。因此，设计了专用芯骨，增加砂芯的强度和刚度，另外，在9# 砂芯长度方向中间位置放置Φ80 mm的排气钢管，砂芯表面放置150 mm×150 mm×16 mm钢板，在上面的砂芯中预留填料，待下芯后放入圆钢，下面与砂芯固定，上面直接与压铁相连接，保证砂芯在浇注过程中的固定，避免砂芯产生漂浮、变形现象。

2.1 建立模型及模拟

    采用建模软件对铸件进行三维实体建模。并采用Magma模拟软件进行凝固模拟。采用porosity判据来判定工艺的合理性。从模拟结果（图7） 来看，共有4个区域存在出现缺陷的风险，结合铸件结构来分析，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区是筋板与铸件主体结构连接的部位，Ⅲ区是底部凸台与铸件主体结构连接的部位。

2.2 铸造工艺的改进与优化

    对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区，将筋板尺寸在高度方向增加了一定的斜度，实现一定程度上的顺序凝固；在热节处增加了圆角冷铁，加快热节处的冷却速度。对于Ⅳ区，将冷铁厚度加大一倍，强制激冷。经过几次反复调整后，铸件模拟凝固结果良好。