大型机床床身铸造工艺研究

大型机床床身铸造工艺研究研究 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 造型方法传统方法组箱组芯 模样芯盒外模芯盒都做只做芯盒 模板需做模板不需模板 砂箱专用性强通用互换性强 经济性工装费用高降低工装费用 安全性不安全安全性好 操作性较复杂操作简便 适用性使用专一使用范围广 精度要求高 需要加工 低 不需加工 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 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 但对于机床这类壁较厚的铸件 提高 Si C 比会增加厚断面处的铁素 体含量 反而会使硬度降低 此时加入 Cr 合金元素 提高机床厚断面 处的珠光体含量 减少断 面硬度差 增加机床的精度稳定性 另外 Mn 量稍高于 Si 量的灰铸 铁具有良好的性能 收缩小 不易产生缩孔 缩松 切削性能好 是一 种提高强度 弹性模量和耐磨性 减少铸件变形的良好材质 2 值 得一提的是 机床导轨表面经常采用淬火热处理 淬火后的表面能获 得马氏体 石墨的组织 珠光体基体淬火后表面硬度可达 50HRC 左右 因普通灰铸铁含 Si 高 淬透性差 添加少量 Ni Cr Mo 能改善其淬 透性 采用炉前孕育和浇注时瞬时孕育相结合的方法 一般浇注采用 两包同时浇注 要调整好铁液成分 保证铁液温度 我厂采用的 HT250 HT300 的化学成分见表 2 表 2 HT250 HT300 的化学成分 wt 牌号 CSiMnSPCr HT250 2 9 3 1 1 3 1 5 1 0 1 2 0 12 0 15 0 3 HT300 2 9 3 2 1 2 1 6 0 9 1 2 0 1 0 12 0 3 3 重点缺陷防止 3 1 变形问题 对于分导轨水平方向和床身侧面方向的变形问题 解决的措施 一是 上述已提到的做反变形量 二是根据铸件结构 在铸件抗弯薄弱的地 方适当做拉筋 3 2 砂芯漂芯 最主要的是将导轨芯及上层砂芯用长螺栓紧固于下箱 若无法紧固 则应将各个独立的砂块用外力将它们联系起来 以抵消浮力的冲击 3 3 组织疏松硬度低 经常在床身导轨面加工后出现弥散分布的细孔 这就是组织疏松 这 是由于其金相组织中片状石墨粗大 即组织异常造成的缺陷 表现出 很低的硬度 其形成原因主要是对应于铸件壁厚部位 碳当量过高 片状石墨粗大是根本原因 熔炼温度低 铁液过热度小 铁液中有未完 全熔解的石墨片 易使片状石墨粗大 冲天炉熔炼过程中 铁液增碳过 多 其防止措施 根据铸件壁厚 确定合理的碳当量 以获得细片状石 墨和以珠光体为主的金相组织 铸件化学成分中添加适量的合金元素 如 B Mn 等 提高铁液过热度 加强孕育处理 降低浇注温度 提高铸件 厚壁部分的冷却速度 如放外冷铁等 3 4 硬质点及淬火效果差 主要是由于含 Si 量高 组织中含有未充分扩散的局部的硅富集区 富 集区中的 Si 同铁液中的 C 形成硬度很高的非金属夹杂物 SiC 晶体 3 造 成加工硬点 另外由于含 Si 量高 组织中有铁素体存在 使得淬火硬 度和深度受到影响 因为铁素体组织的淬透性远比珠光体差 因此 对于要求导轨表面淬火的机床床身 成份选取时应控制较低的含 Si 量 一般在 1 2 1 6 Si 之间 对于原始组织中有铁素体存在需要表 面淬火的灰铸铁件 则进行一次正火处理 能保证随后的淬火效果 4 应用效果 1 采取以上工艺措施已成功为上海 威海 济南 沈阳等地生产 数件机床床身 他们对我厂生产的铸件给予充分肯定和高度评价 2 该工艺成功应用于 M7150 3m M7150 5m M7150 6 6m M7150 8 6m M7150 12 6m M8463 6 6m M8463 8 6m M8040 6 6m M8048 8 6m 等几种大型磨床床身及桂林重达 15t 的工作台及本公司大型 铸铁平台的生产