CA6140車床床身鑄件內部缺陷的檢測與鑄造工藝分析

樓江燕，樓華山

（1．廣西科技大學汽車與交通學院，廣西柳州545006；2．柳州職業技術學院，廣西柳州545006）

CA6140車床床身鑄件內部缺陷的檢測與鑄造工藝分析

樓江燕1，樓華山2

（1．廣西科技大學汽車與交通學院，廣西柳州545006；2．柳州職業技術學院，廣西柳州545006）

采用澆注工藝制備大尺寸鑄件車床CA6140床身坯料.為了提高床身鑄件的成品率，采用超聲波檢測技術對車床CA6140床身坯料的導軌進行檢測．通過對檢測結果分析，認為澆注溫度不足以及澆注系統設計不合理是導致床身導軌出現缺陷的原因，從而針對工藝的不足提出了改進措施．

床身；鑄件；超聲波檢測；衰減；散射

0　引言

由于灰口鑄鐵具備較好的減振性、耐磨性、鍛造性及切削加工性特性;因此，CA6140車床床身坯料采用灰口鑄鐵HT300鑄造．對CA6140車床床身鑄件而言，鑄件不僅要滿足尺寸偏差、形狀偏差等外觀質量要求；更重要的是鑄件內部不能存在孔洞、裂紋、夾雜、偏析等缺陷，這些缺陷對車床的性能有很大影響．例如，導軌處的孔洞、裂紋直接導致床身報廢．檢測床身內部缺陷的方法有超聲波檢測、X光射線檢測、磁粉檢測等［1－2］．

由于超聲波穿透物體的能力強，同時超聲波檢測的靈敏度高，采用超聲探傷檢測床身不同部位（厚度存在變化）極其方便；而且，超聲波檢測具有好的方向性，能精確定位床身內部的鑄造缺陷，僅需要少量耦合劑及電能就能開展檢測；因此，本課題采用超聲波檢測技術對CA6140車床床身鑄件進行檢測，并依據檢測的結果對CA6140車床床身鑄造工藝進行評估．

1　超聲波檢測原理與床身鑄造工藝

1．1超聲波檢測原理

超聲檢測CA6140車床床身內部的原理主要基于聲彈性理論：超聲波信號在床身構件中傳播時，當超聲波信號傳播到缺陷部位（孔洞、裂紋、夾雜、偏析等缺陷）后，由于該缺陷的存在，使得缺陷和床身本體材料之間形成了一個不同介質之間的界面，在界面處，聲阻抗性質發生變化，當發射的超聲波遇到界面后，導致超聲波產生反射、透射及折射現象，且超聲波信號的能量出現衰減．反射回來的聲波被探頭接受后，在顯示屏幕中橫坐標的某一位置會顯示出該反射波的波形，而該位置的高度反映了缺陷在床身中的深度．通過采集并分析反饋回來的超聲波信號特征，由回波的大小、位置等特征即可對床身中內部狀況做出判斷．超聲波系統檢測床身的流程如圖1所示．由圖1可以看出，超聲波檢測系統由信號接收處理裝置、發射探頭＆接收探頭、示波器以及信號采集計算機（示波器）組成．其中，超聲波發生器在工作過程產生5MH z頻率的脈沖超聲波信號；超聲波探頭負責將超聲波信號發射和接收（探頭發射端與接收端的位置固定，以確保超聲波在床身中的傳播距離相對穩定）；示波器用來顯示超聲波在床身不同位置傳播的聲時差．整套系統借助于Lab View軟件的后臺控制實現超聲波聲時信號的自動采集．

1.2床身鑄造工藝

CA6140車床床身鑄件采用“兩箱造型，平作平澆”的澆鑄工藝方案．圖2（a）展示了CA6140車床床身鑄件的分型面以及澆鑄位置．圖2（a）中的澆注位置設計在床身的側面，可以避免床身出現夾砂、氣孔、砂眼等缺陷，由于床身導軌區域壁厚尺寸較大，在側面設計澆注位置利于金屬熔液對床身進行補縮．由于床身尺寸較大，金屬液的澆注時間、充型時間和凝固時間相對較長，澆注前砂型需要進行預熱處理，澆注溫度設定為1 450℃．圖2（b）為CA6140車床床身鑄件澆注系統的示意圖．該澆注系統為沖入式．澆注系統頂部開設了內澆道．該內澆道可避免鑄件上部出現澆不足、冷隔等缺陷．整體來看，床身鑄件澆注工藝具有以下優點：砂型造型簡單且易于制備，下芯、分型容易，砂型合模方便．依據該工藝制備的CA6140車床床身鑄件如圖3所示．

2　床身鑄件的檢測與分析

圖1　超聲波檢測床身內部的流程圖Fig.1 Ultrasonic detection of the lathe-bed process diagram

圖2　床身鑄件Fig.2 As-cast lathe-bed

圖3　床身鑄件實物圖Fig.3 Image of the as-cast lathe bed

灰口鑄鐵HT300中含有碳化物、硫化物、氫化物等雜質，且組織不均勻，晶粒較大；因此，采用灰口鑄鐵HT300澆注的床身有著較大的聲阻抗，阻礙了超聲波的傳播．為了使超聲波穿透床身鑄件．啟動超聲波發生器，使之發出激勵信號，信號傳至探頭發射端．在電信號的激勵下，探頭中的壓電晶片高頻振動，并產生超聲波．檢測時，需要調整超聲波檢測參數設置，具體操作如下：AD信號增益設定為50，超聲波探頭頻率選定為5MHz，脈沖頻率設置為5MHz．為提高超聲波轉換效率，超聲波探頭與床身之間涂抹耦合劑，耦合劑為變壓器油．并在探頭上方放置壓塊，從而確保聲波的耦合效果與信號接受的效果一致．本研究使用鐵制標準試樣，試樣尺寸：102mm×76．5mm×25．5mm．超聲波穿過床身鑄件時，可能會產生雜波信號，當雜波信號與床身導軌的缺陷波混在一起時難于區分缺陷波和雜波；而超聲波檢測儀的靈敏度過低，會導致床身導軌處的缺陷反射波不能顯示，造成漏檢．通過事先校對標準試樣的波形，確定適合的超聲波檢測儀靈敏度范圍，這樣不僅可減少雜波信號，而且不會造成漏檢．超聲波校對無缺陷的標準試樣后，底端反射回波清晰可見，其幅度約為發射波的60％，在標準試樣的上表面反射回波與底端反射回波之間沒有雜波出現．

對CA6140床身鑄件導軌（圖2（a）中所示B側任意位置）的超聲波檢測結果如圖4所示．從結果中觀察到了2種超聲波信號．超聲探頭發射的是脈沖信號，超聲波檢測系統采集的反射信號也是脈沖信號．圖4中，超聲檢測儀顯示的回波信號分別是：上表面回波、底端回波．其中，上表面回波振幅最大，其次為底端回波，底面回波的振幅約為上表面回波振幅的60％．

超聲波在介質的傳播過程中，自身能量會隨著距離增大而逐漸消耗，導致超聲波聲壓和超聲波聲強隨著傳播距離的增大而明顯變?。畧D4中，底端回波其振幅低于上表面回波反映出超聲波能量的衰減．上表面回波為發射的脈沖信號傳播到床身導軌和探頭相接觸的表面（即上表面處），該信號反射并被超聲波系統采集的超聲波信號；底端回波為超聲波傳播到床身導軌的另外一側的底面時，發生反射后被采集到的超聲波信號．

圖4床身導軌B處超聲波檢測的波形Fig．4 Ultrasonic detection of the position B on the guiding rail

圖4中，在上表面回波、底端回波之間沒有觀察到雜波．圖4的檢測結果表明：在CA6140床身鑄件導軌B側任意位置不存在缺陷．這是由于熔融的HT300金屬液進入層內澆道后，其溫度下降較小，能夠充分地除渣、排氣、補縮，從而保證了床身鑄件導軌的充型質量．

圖5　床身導軌A處超聲波檢測的波形Fig.5 Ultrasonic detecting of the position A on the guiding rail

對CA6140床身鑄件導軌（圖2（a）中所示A位置）的超聲波檢測結果如圖5所示．從結果中觀察到了3種信號波：上表面回波、缺陷回波（存在傷損缺陷）、底端回波．其中，振幅最小的單峰波形較穩定，從不同方向對該位置探測，反射波大體相同；同時，還觀察到探頭的輕微振動，會引起該波形消失，且當探頭作定點轉動時，波形會出現此起彼落的現象；因此，判斷該波形為在發射波和底端反射波之間的缺陷回波．缺陷回波即傳播到床身導軌里面的缺陷處反射后的超聲波．由于不同的介質性能存在差異，超聲波在不同的介質中傳播時，受到的聲阻抗也不同，當超聲波在傳播過程中遇到不同介質的界面，超聲波就會產生散射現象，導致超聲波的能量降低［3］．圖5中，夾雜在上表面回波、底端反射回波之間的小振幅缺陷回波，就是一種散射波，它的存在表明超聲波在床身鑄件傳播時遇到了不同介質的界面（裂紋、夾雜、夾渣等不同缺陷），產生散射，減小了超聲波的能量．床身在圖2（a）中A處存在缺陷，可能來源于兩個原因：

其一：冶金過程形成的非金屬夾雜物、夾渣、氣孔、縮孔、疏松、偏析等．HT300冶煉過程中，爐渣、保溫材料或耐火材料可能墜入熔融的HT300熔液中并形成塊狀的夾渣缺陷．氣體不能完全從HT300熔液逸出，形成孔洞;而當HT300熔液冷卻時，隨著溫度的降低，床身不同澆注部位的HT300熔液體積產生收縮而沒有得到及時補充，也會形成孔洞［4］.

其二：床身鑄件后期熱處理產生的缺陷，如裂紋、白點、晶粒粗大等.CA6140床身鑄件尺寸較大，HT300熔液冷卻過程中，由于不同部位冷卻速率存在差異，從而產生熱應力，在熱應力的作用下，導致裂紋出現.大體積床身鑄件在凝固冷卻過程中，溫度降低的速率較慢，冷卻需要的時間較長；因此，在床身鑄件內部形成的晶粒容易“長大”.當“長大”的晶粒直徑大于超聲波直徑時，使得超聲波信號被反射，不能實現準確檢測.另外，采用“兩箱造型，平作平澆”的澆鑄工藝，還會導致金屬液在A處形成流動的死角，熔渣、碎砂、冷鐵水也容易集聚該部位［5-8］.

針對“兩箱造型，平作平澆”工藝的不足，本研究作了如下改進：在A處重新開設過水澆口，過水澆口采用立式，其直徑設定為床身導軌壁厚的0.5～0.6；同時，在A處增加集渣槽的設計.增設集渣槽目的是分離HT300熔液、熔渣以及碎砂，形成小熔池并收集冷鐵水.圖6為改進工藝后床身A處的超聲波檢測結果.從圖6中可以看出在床身A處僅采集到了上表面回波和底端回波，沒有觀察到雜波，這表明隨著HT300熔液澆注入砂模，由于集渣槽的熔池作用，為HT300熔液提供了充分的能量，使得熔融的金屬液可以沿著導軌暢通流動，并填充滿砂模，因而能保證床身A處的澆注質量.

圖6　改進工藝后床身導軌A處的超聲波檢測Fig．6 Ultrasonic detecting of the position A after using the im proved process

3　結論

本研究采用超聲波檢測技術對采用“兩箱造型，平作平澆”澆鑄工藝制備的CA6140車床床身鑄件導軌進行了檢測.檢測結果表明：

1）由于澆注溫度較低、澆注系統設計存在不合理以及熱處理不當，接近澆注系統側的床身導軌，其內部存在缺陷，該缺陷可能是由冶金過程形成的非金屬夾雜物、夾渣、氣孔、縮孔、疏松、偏析或是床身鑄件后期熱處理產生的裂紋；

2）該工藝可以確保背離澆注系統側的床身導軌的質量.

針對“兩箱造型，平作平澆”工藝的不足作了工藝改進，改進后能保證床身A處的澆注質量.

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［7］陳建忠.數字超聲無損評價系統的應用和可靠性［D］.西安：西安交通大學，1999.

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（學科編輯：黎婭）

Detection and analysis of internal defects in casting process of CA6140 lathe bed casting

LOU Jiang-yan1,LOU Hua-shan2
（1．School of Automobile Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006，China；2．Liuzhou Vocational ＆ Technical College，Liuzhou 545007，China）

Due to the non-uniformity of the thickness of the lathe structure,the cooling rate of the different parts is different when the traditional pouring process is used to prepare the CA6140 lathe structure.So the defects inside the lathe,such as,inclusion,shrinkage cavity and crack,are prone to form.These defects can cause the deterioration in the performance of the lathe structure.Especially,the defects in the lathe bed guiding rail can directly lead to the lathe bed to be rejected.In order to improve the yield of the as-cast lathe structure,the paper investigated the mechanism of the lathe structure defects by using the ultrasonic inspection.The results showed that the guiding rail defects were induced by the low pouring temperature and unreasonable design of gating system.When the improved process was used,the defects have been inhibited efficiently.

lathe structure;as-cast;ultrasonic detection;attenuation;scattering

TG157

A

2095-7335（2016）04-0050-05

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.04.010

2016－05－17

廣西自然科學基金項目（2011GXNSFA018033）；廣西重點實驗室開放課題基金項目（2014KFZD02）資助．

樓江燕，碩士，副教授，研究方向：車輛工程，E－mail：loujiangy＠21cn．com．