目前國產(chǎn)大型機床包括車床、銑床、刨床、磨床、數(shù)控機床等各類機床床身鑄件的壁厚一般在20～40mm,屬于中厚壁鑄件,重量一般在5～50t,材質(zhì)為HT250或HT300。該類鑄件的最大特點是導(dǎo)軌較長,一般在幾米甚至十幾米,非常容易產(chǎn)生彎曲變形,且導(dǎo)軌非常厚大,一般在40～100mm,導(dǎo)軌容易產(chǎn)生組織缺陷,特別是10m長的導(dǎo)軌要保證無任何氣孔砂眼也是較困難的。該類鑄件往往是單件小批量生產(chǎn),沒有現(xiàn)成的工裝砂箱,投資較大,特別是數(shù)控性能,其硬度要求180～241HB,硬度差△HB≤35[1],有些采用淬火硬化的機床導(dǎo)軌要求HT300以上牌號,易產(chǎn)生組織疏松、硬度低、硬質(zhì)點及淬火效果差等缺陷,一旦因為這些問題導(dǎo)致鑄件報廢,損失非常慘重,因此很有必要進行專門研究。
1造型工藝
1.1造型方法的選擇
首先要生產(chǎn)該類件需有專用工裝,一般鑄造" target=_blank<鑄造廠無此專用工裝,而且該類件往往都是定單制作,批量不大,沒有規(guī)模效益。所以要生產(chǎn)該類件所投工裝砂箱費用比廠做此類鑄件有時得不償失,而且10m多長的鑄件需要10m多長的砂箱,對整鑄式砂箱的強度和剛度要求也相當高,如果在吊裝過程中發(fā)生折斷砂箱的情況,造成人員傷亡,那更是雪上加霜。因此如何生產(chǎn)此類鑄件,非常值得探討。一般廠家采用地坑造型,但對于緊張的造型面積,地坑造型不是很合適,而采用簡易的組箱組芯法較好地解決了這一問題,它可以有效利用車間面積。
1.2組箱組芯法簡介
該工藝區(qū)別于傳統(tǒng)的組箱組芯法(劈模造型)。傳統(tǒng)的劈模造型是將模樣根據(jù)各個面的形狀分成幾部分,然后將這幾部分固定在模板上,再用專用砂箱舂箱,舂完箱再將各面砂箱組起來,用螺栓緊固好,空腔用砂芯組合。而新型組箱組芯法不用外模樣,不用模板,直接將分段砂箱組合起來,在組合好后的砂箱內(nèi)用砂芯直接組出鑄件結(jié)構(gòu)形狀。采用組箱組芯法制作專用工裝,鑄件結(jié)構(gòu)形狀全部用砂芯組合,重點要解決好砂箱組合起來的剛度問題,所以必須用螺栓連接,這是該件能夠投產(chǎn)的前提條件。對于分成若干段的總共長達十幾米的砂
箱,重點保證砂箱的強度和剛度的連續(xù)性,要求混砂速度快,舂砂也要跟上出砂的節(jié)奏,否則易出現(xiàn)砂型隔層裂紋等缺陷。
1.3該工藝的優(yōu)缺點
該工藝把砂箱做成不同規(guī)格( 1m、1.5m、2m、3m等)不同數(shù)量的幾段,然后拼湊起各種長度和寬度不同的砂箱框,各段砂箱間用螺栓聯(lián)結(jié),滿足不同長度和寬度的鑄件需求,通用性強,一套工裝可滿足幾種鑄件的生產(chǎn),工裝費用大大降低,適用范圍廣,且操作方便,對砂箱的尺寸精度要求低。該工藝將長達十幾米的砂箱分成幾段,減小每塊砂箱的重量和尺寸大小,降低在行車吊裝過程的危險性,可成功地避免這方面的安全事故,因為曾經(jīng)發(fā)生幾米長的砂箱在吊裝過程中折斷而發(fā)生危險的事情。表1是組箱組芯法與傳統(tǒng)方法的比較。該方法缺點是要求操作人員的素質(zhì)較高,操作過程尺寸精度的控制很大程度上依賴于操作人員的把握。
表1.組箱組芯法與傳統(tǒng)方法的比較
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造型方法
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傳統(tǒng)方法
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組箱組芯
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模樣芯盒
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外模芯盒都做
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只做芯盒
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模板
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需做模板
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不需模板
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砂箱
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專用性強
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通用互換性強
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經(jīng)濟性
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工裝費用高
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降低工裝費用
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安全性
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不安全
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安全性好
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操作性
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較復(fù)雜
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操作簡便
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適用性
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使用專一
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使用范圍廣
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精度
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要求高（需要加工）
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低（不需加工）
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2工藝設(shè)計及過程控制
2.1反變形量
導(dǎo)軌面上留凸起的反變形量5～25mm不等,根據(jù)導(dǎo)軌長度確定:床身長度<5m,每1m鑄件留1～2mm反變形量;床身長度>5m,每1m鑄件留反變形量1.5～2.5mm;地腳面也要隨形做出反變形量;有些結(jié)構(gòu)很不均勻的床身,可能還會出現(xiàn)側(cè)彎曲,這樣也當需要在導(dǎo)軌側(cè)面甚至整個床身側(cè)面都要留反變形量。
2.2加工余量
一般在反變形量基礎(chǔ)上再留10～20mm加工余量,余量也不用太大,否則加工完后會出現(xiàn)硬度不夠的現(xiàn)象。
2.3收縮率
一般長度方向取1.0%,寬度方向取0.8%,高度方向取0.5%?？紤]脹箱等因素,寬度方向可不留縮尺,甚至考慮將模樣尺寸人為減小,以保證出件后鑄件的凈尺寸符合要求。
2.4工藝補正量
為防止加工后導(dǎo)軌因變形而變薄,導(dǎo)軌及地腳背面可留3～5mm工藝補正量。
2.5澆注系統(tǒng)設(shè)計
澆注位置當然是將導(dǎo)軌放在下面,一般從床身兩端由導(dǎo)軌進入鐵液;特別長的導(dǎo)軌可采用底返雨淋澆注系統(tǒng),這種澆注系統(tǒng)可保證鐵液流程不要太長,有效防止出現(xiàn)冷隔及導(dǎo)軌掉渣、氣孔缺陷,使鐵液雜質(zhì)上浮。澆注系統(tǒng)全部采用耐火瓷管,造型時預(yù)埋于砂型中。根據(jù)床身長度、澆注重量、導(dǎo)軌及床身與立柱結(jié)合面位于下型的特點,選擇兩端座包澆注,且采用底返雨淋及由“平、V”導(dǎo)軌兩端同時進入鐵液,總體上兩層階梯澆注方式,這樣內(nèi)澆道多點分散注入,兩部行車同時澆注,充分考慮鐵液流程,避免產(chǎn)生冷隔、澆不足、氣孔等缺陷。導(dǎo)軌中間采用集渣包,分散引流等方式將冷鐵液轉(zhuǎn)移走,避免導(dǎo)軌中間出現(xiàn)氣孔針孔等缺陷,從而達到保證導(dǎo)軌鑄造" target=_blank<鑄造無缺陷的目標實現(xiàn)。澆注時間要盡量短,依據(jù)澆注重量,一般在3～5min內(nèi)澆注完。
2.6冒口設(shè)計
多采用耳冒口形式,厚大部位用冷鐵包敷;冒口放置位置避開厚大部位,防止形成接觸熱節(jié)。
2.7砂芯設(shè)計
在保證操作方便的情況下,盡量將各砂芯連在一起,以增大自重抵消鐵液浮力。另外要用緊固螺栓把砂芯固定在底箱上,緊固螺栓可以穿透一層甚至幾層砂芯,另外導(dǎo)軌芯也要根據(jù)長度分成好幾段。
2.8模板設(shè)計
較長的床身,模板可做成2～3段,段與段之間用燕尾銷連接;若不用外模,純粹用砂芯組合起來,那么形成外型的砂芯也要人為分成幾段,以便制芯和下芯操作。
2.9冷卻措施
對于比較厚大的導(dǎo)軌,可在導(dǎo)軌底面敷以冷鐵激冷,冷鐵材質(zhì)最好采用石墨塊,也可以采用鑄鐵冷鐵,當然必須烘干水分,防止嗆火,特別在冬季要注意避免溫差太大,因此放置鑄鐵冷鐵要慎用。
2.10尺寸精度控制
底箱首先要鋪平,要用水平儀或拉線找平;導(dǎo)軌芯也要注意以水平線找正,其高度尺寸定位也要充考慮反變形量和加工余量。
2.11熔煉澆注工藝
采用高Si/C灰鑄鐵在CE=3.4%～3.8%條件下,適當增加廢鋼加入量,將Si/C從0.4～0.5提高到0.7～0.8,將鐵液出爐溫度提高到1450℃以上,抗拉強度可提高20～30MPa,鑄件具有較小的變形傾向;但對于機床這類壁較厚的鑄件,提高Si/C比會增加厚斷面處的鐵素體含量,反而會使硬度降低,此時加入Cr合金元素,提高機床厚斷面處的珠光體含量,減少斷
面硬度差,增加機床的精度穩(wěn)定性。另外, Mn量稍高于Si量的灰鑄鐵具有良好的性能:收縮小,不易產(chǎn)生縮孔、縮松,切削性能好,是一種提高強度,彈性模量和耐磨性、減少鑄件變形的良好材質(zhì)。[2]值得一提的是,機床導(dǎo)軌表面經(jīng)常采用淬火熱處理,淬火后的表面能獲得馬氏體+石墨的組織,珠光體基體淬火后表面硬度可達50HRC左右,因普通灰鑄鐵含Si高,淬透性差,添加少量Ni、Cr、Mo能改善其淬透性。采用爐前孕育和澆注時瞬時孕育相結(jié)合的方法,一般澆注采用兩包同時澆注。要調(diào)整好鐵液成分,保證鐵液溫度。我廠采用的HT250、HT300的化學成分見表2。
表2 HT250、HT300的化學成分( wt%)
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牌號
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C
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Si
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Mn
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S
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P
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Cr
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HT250
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2.9～3.1
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1.3～1.5
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1.0～1.2
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≤0.12
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≤0.15
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＜0.3
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HT300
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2.9～3.2
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1.2～1.6
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0.9～1.2
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＜0.1
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＜0.12
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＜0.3
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3重點缺陷防止
3.1變形問題
對于分導(dǎo)軌水平方向和床身側(cè)面方向的變形問題,解決的措施:一是上述已提到的做反變形量;二是根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu),在鑄件抗彎薄弱的地方適當做拉筋。
3.2砂芯漂芯
最主要的是將導(dǎo)軌芯及上層砂芯用長螺栓緊固于下箱,若無法緊固,則應(yīng)將各個獨立的砂塊用外力將它們聯(lián)系起來,以抵消浮力的沖擊。
3.3組織疏松硬度低
經(jīng)常在床身導(dǎo)軌面加工后出現(xiàn)彌散分布的細孔,這就是組織疏松,這是由于其金相組織中片狀石墨粗大,即組織異常造成的缺陷,表現(xiàn)出很低的硬度。其形成原因主要是對應(yīng)于鑄件壁厚部位,碳當量過高,片狀石墨粗大是根本原因;熔煉溫度低,鐵液過熱度小,鐵液中有未完全熔解的石墨片,易使片狀石墨粗大;沖天爐熔煉過程中,鐵液增碳過多。其防止措施:根據(jù)鑄件壁厚,確定合理的碳當量,以獲得細片狀石墨和以珠光體為主的金相組織;鑄件化學成分中添加適量的合金元素,如B、Mn等;提高鐵液過熱度,加強孕育處理,降低澆注溫度,提高鑄件厚壁部分的冷卻速度,如放外冷鐵等。
3.4硬質(zhì)點及淬火效果差
主要是由于含Si量高,組織中含有未充分擴散的局部的硅富集區(qū),富集區(qū)中的Si同鐵液中的C形成硬度很高的非金屬夾雜物SiC晶體[3]造成加工硬點;另外由于含Si量高,組織中有鐵素體存在,使得淬火硬度和深度受到影響,因為鐵素體組織的淬透性遠比珠光體差。因此,對于要求導(dǎo)軌表面淬火的機床床身,成份選取時應(yīng)控制較低的含Si量,一般在1.2%～1.6%Si之間,對于原始組織中有鐵素體存在需要表面淬火的灰鑄鐵件,則進行一次正火處理,能保證隨后的淬火效果。
4應(yīng)用效果
( 1)采取以上工藝措施已成功為上海、威海、濟南、沈陽等地生產(chǎn)數(shù)件機床床身,他們對我廠生產(chǎn)的鑄件給予充分肯定和高度評價。
( 2)該工藝成功應(yīng)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等幾種大型磨床床身及桂林重達15t的工作臺及本公司大型鑄鐵平臺的生產(chǎn),不僅操作安全方便,而且經(jīng)濟適用,效果很好,相比劈模造型而言,生產(chǎn)以上鑄件可節(jié)約工裝費用100余萬元。
( 3)應(yīng)用組箱組芯法生產(chǎn)大型機床床身,具有經(jīng)濟適用,操作安全性高的優(yōu)點,很適合鑄造廠手工造型。應(yīng)用此工藝方法,從理論上講,無論多長的鑄件都能夠生產(chǎn),從而擴大了我廠的生產(chǎn)能力,拓寬了市場領(lǐng)域。
( 4)充分考慮機床床身鑄件本身的結(jié)構(gòu)特點,正確選取各項工藝參數(shù),合理調(diào)整鐵液成分,保證鐵液溫度,做好各類缺陷的防止措施,就能夠成功鑄造大型機床床身。
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