大型机床床身铸造工艺研究

大型机床床身铸造工艺研究

摘要:简述大型机床床身的特点、要求及铸造难度;阐述该类铸件的造型方法,工艺参数的选取,浇注系统设计、熔炼浇注工艺;介绍了一种简易的组箱组芯铸造工艺;对容易产生的导轨变形、砂芯漂芯、组织疏松、硬度低、硬质点及淬火问题等重点缺陷进行了原因分析并提出了防止措施。

关键词:大型机床床身,组箱组芯,铸造缺陷,铸造工艺

目前国产大型机床包括车床、铣床、刨床、磨床、数控机床等各类机床床身铸件的壁厚一般在20～40mm,属于中厚壁铸件,重量一般在5～50t,材质为HT250或HT300。该类铸件的最大特点是导轨较长,一般在几米甚至十几米,非常容易产生弯曲变形,且导轨非常厚大,一般在40～100mm,导轨容易产生组织缺陷,特别是10m长的导轨要保证无任何气孔砂眼也是较困难的。该类铸件往往是单件小批量生产,没有现成的工装砂箱,投资较大,特别是数控机床床身,结构

形状比较复杂,在模样制作、砂芯紧固、等造型操作方面存在较大难度;其材质要求具有良好的精度稳定性、抗压强度和减震性,良好的切削性能和铸造性能,其硬度要求180～241HB,硬度差△HB≤35[1],有些采用淬火硬化的机床导轨要求HT300以上牌号,易产生组织疏松、硬度低、硬质点及淬火效果差等缺陷,一旦因为这些问题导致铸件报废,损失非常惨重,因此很有必要进行专门研究。

1造型工艺

1.1造型方法的选择

首先要生产该类件需有专用工装,一般铸造厂无此专用工装,而且该类件往往都是定单制作,批量不大,没有规模效益。所以要生产该类件所投工装砂箱费用比铸件的价值还要大,一旦导轨等重要部位出现重大缺陷造成废品,那损失更是不可估量。因此铸造厂做此类铸件有时得不偿失,而且10m多长的铸件需要10m多长的砂箱,对整铸式砂箱的强度和刚度要求也相当高,如果在吊装过程中发生折断砂箱的情况,造成人员伤亡,那更是雪上加霜。因此如何生产此类铸件,非常值得探讨。一般厂家采用地坑造型,但对于紧张的造型面积,地坑造型不是很合适,而采用简易的组箱组芯法较好地解决了这一问题,它可以有效利用车间面积。

1.2组箱组芯法简介

该工艺区别于传统的组箱组芯法(劈模造型)。传统的劈模造型是将模样根据各个面的形状分成几部分,然后将这几部分固定在模板上,再用专用砂箱舂箱,舂完箱再将各面砂箱组起来,用螺栓紧固好,空腔用砂芯组合。而新型组箱组芯法不用外模样,不用模板,直接将分段砂箱组合起来,在组合好后的砂箱内用砂芯直接组出铸件结构形状。采用组箱组芯法制作专用工装,铸件结构形状全部用砂芯组合,重点要解决好砂箱组合起来的刚度问题,所以必须用螺栓连接,这是该件能够投产的前提条件。对于分成若干段的总共长达十几米的砂

箱,重点保证砂箱的强度和刚度的连续性,要求混砂速度快,舂砂也要跟上出砂的节奏,否则易出现砂型隔层裂纹等缺陷。

1.3该工艺的优缺点

该工艺把砂箱做成不同规格( 1m、1.5m、2m、3m等)不同数量的几段,然后拼凑起各种长度和宽度不同的砂箱框,各段砂箱间用螺栓联结,满足不同长度和宽度的铸件需求,通用性强,一套工装可满足几种铸件的生产,工装费用大大降低,适用范围广,且操作方便,对砂箱的尺寸精度要求低。该工艺将长达十几米的砂箱分成几段,减小每块砂箱的重量和尺寸大小,降低在行车吊装过程的危险性,可成功地避免这方面的安全事故,因为曾经发生几米长的砂箱在吊装过程中折断而发生危险的事情。表1是组箱组芯法与传统方法的比较。该方法缺点是要求操作人员的素质较高,操作过程尺寸精度的控制很大程度上依赖于操作人员的把握。

表1.组箱组芯法与传统方法的比较

2工艺设计及过程控制

2.1反变形量

导轨面上留凸起的反变形量5～25mm不等,根据导轨长度确定:床身长度<5m,每1m铸件留1～2mm反变形量;床身长度>5m,每1m铸件留反变形量1.5～2.5mm;地脚面也要随形做出反变形量;有些结构很不均匀的床身,可能还会出现侧弯曲,这样也当需要在导轨侧面甚至整个床身侧面都要留反变形量。

2.2加工余量

一般在反变形量基础上再留10～20mm加工余量,余量也不用太大,否则加工完后会出现硬度不够的现象。

2.3收缩率

一般长度方向取1.0%,宽度方向取0.8%,高度方向取0.5%。考虑胀箱等因素,宽度方向可不留缩尺,甚至考虑将模样尺寸人为减小,以保证出件后铸件的净尺寸符合要求。

2.4工艺补正量

为防止加工后导轨因变形而变薄,导轨及地脚背面可留3～5mm工艺补正量。

2.5浇注系统设计

浇注位置当然是将导轨放在下面,一般从床身两端由导轨进入铁液;特别长的导轨可采用底返雨淋浇注系统,这种浇注系统可保证铁液流程不要太长,有效防止出现冷隔及导轨掉渣、气孔缺陷,使铁液杂质上浮。浇注系统全部采用耐火瓷管,造型时预埋于砂型中。根据床身长度、浇注重量、导轨及床身与立柱结合面位于下型的特点,选择两端座包浇注,且采用底返雨淋及由“平、V”导轨两端同时进入铁液,总体上两层阶梯浇注方式,这样内浇道多点分散注入,两部行车同时浇注,充分考虑铁液流程,避免产生冷隔、浇不足、气孔等缺陷。导轨中间采用集渣包,分散引流等方式将冷铁液转移走,避免导轨中间出现气孔针孔等缺陷,从而达到保证导轨铸造无缺陷的目标实现。浇注时间要尽量短,依据浇注重量,一般在3～5min内浇注完。

2.6冒口设计

多采用耳冒口形式,厚大部位用冷铁包敷;冒口放置位置避开厚大部位,防止形成接触热节。

2.7砂芯设计

在保证操作方便的情况下,尽量将各砂芯连在一起,以增大自重抵消铁液浮力。另外要用紧固螺栓把砂芯固定在底箱上,紧固螺栓可以穿透一层甚至几层砂芯,另外导轨芯也要根据长度分成好几段。

2.8模板设计

较长的床身,模板可做成2～3段,段与段之间用燕尾销连接;若不用外模,纯粹用砂芯组合起来,那么形成外型的砂芯也要人为分成几段,以便制芯和下芯操作。

2.9冷却措施

对于比较厚大的导轨,可在导轨底面敷以冷铁激冷,冷铁材质最好采用石墨块,也可以采用铸铁冷铁,当然必须烘干水分,防止呛火,特别在冬季要注意避免温差太大,因此放置铸铁冷铁要慎用。

2.10尺寸精度控制

底箱首先要铺平,要用水平仪或拉线找平;导轨芯也要注意以水平线找正,其高度尺寸定位也要充考虑反变形量和加工余量。

2.11熔炼浇注工艺

采用高Si/C灰铸铁在CE=3.4%～3.8%条件下,适当增加废钢加入量,将Si/C从0.4～0.5提高到0.7～0.8,将铁液出炉温度提高到1450℃以上,抗拉强度可提高20～30MPa,铸件具有较小的变形倾向;但对于