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摘 要：经分析和试验，改变了传统铸钢齿轮铸造工艺方法，平均工艺出品率达到65%以上，取得明显的经济效益。
关键词：铸钢件；齿轮；补贴；成品率
铸钢齿轮在工农业生产中的应用很广泛，尤其在矿山机械和减速机行业广泛应用。但铸钢齿轮的工艺出品率往往低于60%，同时加工齿轮时由于气割冒口和补贴留下的割痕使刀具容易损坏和磨损，增加了加工成本。因此寻找一种既经济又合理的铸造方法是铸造工作者研究的课题。
1.工艺分析
过去我们设计铸钢齿轮铸造工艺时，通常将辐板与轮缘间的热节利用热节圆法把热节滚到齿轮端面，工艺上人为增加冒口补贴。对于双辐板铸钢齿轮，通常将第一层辐板处热节圆引到齿轮端面轮缘处，增加工艺补贴（图1）。经铣齿加工，并没有发现齿根部位有缩松现象，装机后运行正常。这种工艺已是成熟的传统工艺。
图1 齿轮铸造工艺简图
我们从以上工艺设计中发现有个无法解释的问题，就是双辐板齿轮第二层辐板的热节圆并没有引到齿轮端面。而进行无损探伤检查，没有发现齿根底部存在超过3级标准的缩松缺陷；铣齿后，齿根部位辐板处没有出现缩松。难道齿根部位辐板处不存在缩松？这一现象值得我们研究。
无损探伤没有发现超过3级标准的缩松缺陷，并不代表齿根底部没有缩松缺陷。探伤发现，上下辐板与轮缘交接处存在缩松，下辐板较上辐板缩松缺陷多，但并没有超过3级标准。按超声波检查可以看到，即使一级无损探伤也是有缺陷的，只不过是大小不同。因此齿根底部肯定有缩松缺陷，只是铣齿没有铣出来，为什么没有铣出来呢？
通常设计齿轮时，齿根到齿顶距离即齿轮高度d1= 2.25m （ m：齿轮模数），齿根到齿轮轮缘内侧的距离d2=（ 2.5～4） m），理论热节圆的中心点位于齿根底部靠轮缘内侧方向。铸造工艺设计时有时为避免轮缘内侧收不回来，一般是在轮缘内侧增加补正量，同时齿轮轮缘内侧比外侧散热能力差，第二层辐板的实际热节圆中心点更加靠近齿轮轮缘内侧，由于第二层辐板热节圆并没有引出来，此处肯定会存在缩孔缺陷。但只要齿轮轮缘冒口有足够的温度梯度和足够的钢液，就能使第二层辐板热节得到补缩而形成缩松，并且缩松位置靠近齿轮内侧辐板处，这就是双辐板齿轮第二层辐板缩松没被铣出来的原因。
2.工艺验证
根据以上分析，传统铸造工艺设计的双辐板铸钢齿轮，除第二层辐板存在缩松缺陷，第一层辐板非冒口位也有一些缩松，只是铣齿时没有铣出来，不影响齿轮的使用，所以这种传统工艺一直沿用至今。可以设想假如取消冒口补贴，只要轮缘上冒口提供足够的温度梯度和钢液，使上下二层辐板热节得到补缩，最后在靠近齿轮内侧辐板处形成缩松，铣齿时缩松就不会被铣出来，虽然缩松面积较有补贴的工艺多一些，但缩松的面积占整个齿的面积比例很小，因此对齿轮的性能影响不大。为了证实这种可能性，我们进行了取消双辐板铸钢齿轮轮缘补贴的工艺试验。
试验对象为双辐板铸钢齿轮。原铸造工艺：采用水玻璃砂砂型。材质：ZG310-570。毛坯重量850kg，2个底返内水口，1个 60mm直浇道，轮缘冒口为4个380mm X90mm X270mm，轮毂冒口1个SR170mm X270mm，轮缘工艺补贴40 mm，冒口延续度为48%，浇注重量1450 kg，铸件工艺出品率58.6%。
试验方案：原工艺的冒口大小和数量不变，只取消轮缘补贴，增加保温冒口，浇注重量1365kg，工艺出品率62.3%，浇注温度1560℃。毛坯经铣齿加工，发现同原工艺一样齿根部位没有缩松（孔）缺陷。
通过此次工艺试验，证明取消轮缘补贴工艺是可行的，同时增加保温冒口，使钢水凝固顺序为顺序凝固，（由于取消轮缘补贴，相应减小了热节，轮缘的孽厚就是实际的热节）。为验证修改冒口的效果和冒口水平补缩距离，再次对上述齿轮进行了二件工艺试验，将冒口改为3个380mm X90mm X270mm，冒口间放置1个100mm X100mmX50mm冷铁，以提高齿轮冒口端的温度梯度，冒口间水平补缩距离6T。由于轮毂只是加工内圆和键槽，键槽深度一般是4～6 mm，即使内部有少量缩松出现，加工键槽时也不会出现缩松，因此取消轮毂处补贴（实际上双辐板铸钢齿轮传统铸造工艺，热节圆也没有引出来，同样也存在缩松缺陷）。
3.几点体会
3.1.铸钢齿轮属于低转速齿轮，缩松的面积占整个齿的面积比例较小，因此齿根底部轴线缩松对齿轮使用性能基本没有影响，所以齿轮只是要求铣齿时不能出现缩松，齿轮关键要求是不能有裂纹和砂孔。
3.2.传统工艺过度关注对辐板与轮缘间的热节补缩，从而不得不加大冒口来补缩工艺补贴，付出的代价是降低了工艺出品率。即使这样，齿轮非冒口位轮缘与辐板间的热节很难得到完全补缩，仍然存在一些缩松。试验表明，取消齿轮轮缘、轮毂的冒口补贴后，齿根并未出现缩松，装机运行正常，证明这种工艺是合理的，实现了质量与效益双赢，尽管齿轮内部比传统工艺制造的齿轮缩松多一些，但并没有影响齿轮使用性能。
3.3.铸钢齿轮取消轮缘、轮毂冒口补贴后，既降低了气割工作量及氧气、乙炔的消耗，又减少了因气割轮毂补贴而产生的温裂倾向，同时提高了工艺出品率，甚至有的达到70%以上，。
3.4.铸钢齿轮毛坯没有了补贴，使粗车工件时震动减轻，机床得到了保护，同时减少了对刀具的损坏和磨损，降低了加工成本。
3.5.此种工艺适用于标准设计的铸钢齿轮，砂型散热越快越好，不适宜散热慢的砂型（如树脂砂）。同时浇注温度不宜过高，一般小于1560℃，并保持冒口端的较高温度梯度。
关键词：铸钢件；齿轮；补贴；成品率
铸钢齿轮在工农业生产中的应用很广泛，尤其在矿山机械和减速机行业广泛应用。但铸钢齿轮的工艺出品率往往低于60%，同时加工齿轮时由于气割冒口和补贴留下的割痕使刀具容易损坏和磨损，增加了加工成本。因此寻找一种既经济又合理的铸造方法是铸造工作者研究的课题。
1.工艺分析
过去我们设计铸钢齿轮铸造工艺时，通常将辐板与轮缘间的热节利用热节圆法把热节滚到齿轮端面，工艺上人为增加冒口补贴。对于双辐板铸钢齿轮，通常将第一层辐板处热节圆引到齿轮端面轮缘处，增加工艺补贴（图1）。经铣齿加工，并没有发现齿根部位有缩松现象，装机后运行正常。这种工艺已是成熟的传统工艺。
图1 齿轮铸造工艺简图
我们从以上工艺设计中发现有个无法解释的问题，就是双辐板齿轮第二层辐板的热节圆并没有引到齿轮端面。而进行无损探伤检查，没有发现齿根底部存在超过3级标准的缩松缺陷；铣齿后，齿根部位辐板处没有出现缩松。难道齿根部位辐板处不存在缩松？这一现象值得我们研究。
无损探伤没有发现超过3级标准的缩松缺陷，并不代表齿根底部没有缩松缺陷。探伤发现，上下辐板与轮缘交接处存在缩松，下辐板较上辐板缩松缺陷多，但并没有超过3级标准。按超声波检查可以看到，即使一级无损探伤也是有缺陷的，只不过是大小不同。因此齿根底部肯定有缩松缺陷，只是铣齿没有铣出来，为什么没有铣出来呢？
通常设计齿轮时，齿根到齿顶距离即齿轮高度d1= 2.25m （ m：齿轮模数），齿根到齿轮轮缘内侧的距离d2=（ 2.5～4） m），理论热节圆的中心点位于齿根底部靠轮缘内侧方向。铸造工艺设计时有时为避免轮缘内侧收不回来，一般是在轮缘内侧增加补正量，同时齿轮轮缘内侧比外侧散热能力差，第二层辐板的实际热节圆中心点更加靠近齿轮轮缘内侧，由于第二层辐板热节圆并没有引出来，此处肯定会存在缩孔缺陷。但只要齿轮轮缘冒口有足够的温度梯度和足够的钢液，就能使第二层辐板热节得到补缩而形成缩松，并且缩松位置靠近齿轮内侧辐板处，这就是双辐板齿轮第二层辐板缩松没被铣出来的原因。
2.工艺验证
根据以上分析，传统铸造工艺设计的双辐板铸钢齿轮，除第二层辐板存在缩松缺陷，第一层辐板非冒口位也有一些缩松，只是铣齿时没有铣出来，不影响齿轮的使用，所以这种传统工艺一直沿用至今。可以设想假如取消冒口补贴，只要轮缘上冒口提供足够的温度梯度和钢液，使上下二层辐板热节得到补缩，最后在靠近齿轮内侧辐板处形成缩松，铣齿时缩松就不会被铣出来，虽然缩松面积较有补贴的工艺多一些，但缩松的面积占整个齿的面积比例很小，因此对齿轮的性能影响不大。为了证实这种可能性，我们进行了取消双辐板铸钢齿轮轮缘补贴的工艺试验。
试验对象为双辐板铸钢齿轮。原铸造工艺：采用水玻璃砂砂型。材质：ZG310-570。毛坯重量850kg，2个底返内水口，1个 60mm直浇道，轮缘冒口为4个380mm X90mm X270mm，轮毂冒口1个SR170mm X270mm，轮缘工艺补贴40 mm，冒口延续度为48%，浇注重量1450 kg，铸件工艺出品率58.6%。
试验方案：原工艺的冒口大小和数量不变，只取消轮缘补贴，增加保温冒口，浇注重量1365kg，工艺出品率62.3%，浇注温度1560℃。毛坯经铣齿加工，发现同原工艺一样齿根部位没有缩松（孔）缺陷。
通过此次工艺试验，证明取消轮缘补贴工艺是可行的，同时增加保温冒口，使钢水凝固顺序为顺序凝固，（由于取消轮缘补贴，相应减小了热节，轮缘的孽厚就是实际的热节）。为验证修改冒口的效果和冒口水平补缩距离，再次对上述齿轮进行了二件工艺试验，将冒口改为3个380mm X90mm X270mm，冒口间放置1个100mm X100mmX50mm冷铁，以提高齿轮冒口端的温度梯度，冒口间水平补缩距离6T。由于轮毂只是加工内圆和键槽，键槽深度一般是4～6 mm，即使内部有少量缩松出现，加工键槽时也不会出现缩松，因此取消轮毂处补贴（实际上双辐板铸钢齿轮传统铸造工艺，热节圆也没有引出来，同样也存在缩松缺陷）。
3.几点体会
3.1.铸钢齿轮属于低转速齿轮，缩松的面积占整个齿的面积比例较小，因此齿根底部轴线缩松对齿轮使用性能基本没有影响，所以齿轮只是要求铣齿时不能出现缩松，齿轮关键要求是不能有裂纹和砂孔。
3.2.传统工艺过度关注对辐板与轮缘间的热节补缩，从而不得不加大冒口来补缩工艺补贴，付出的代价是降低了工艺出品率。即使这样，齿轮非冒口位轮缘与辐板间的热节很难得到完全补缩，仍然存在一些缩松。试验表明，取消齿轮轮缘、轮毂的冒口补贴后，齿根并未出现缩松，装机运行正常，证明这种工艺是合理的，实现了质量与效益双赢，尽管齿轮内部比传统工艺制造的齿轮缩松多一些，但并没有影响齿轮使用性能。
3.3.铸钢齿轮取消轮缘、轮毂冒口补贴后，既降低了气割工作量及氧气、乙炔的消耗，又减少了因气割轮毂补贴而产生的温裂倾向，同时提高了工艺出品率，甚至有的达到70%以上，。
3.4.铸钢齿轮毛坯没有了补贴，使粗车工件时震动减轻，机床得到了保护，同时减少了对刀具的损坏和磨损，降低了加工成本。
3.5.此种工艺适用于标准设计的铸钢齿轮，砂型散热越快越好，不适宜散热慢的砂型（如树脂砂）。同时浇注温度不宜过高，一般小于1560℃，并保持冒口端的较高温度梯度。