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大型鑄件的結構影響及鑄造方法

時間:2019-07-04 16:38 作者:東建鑄造 點擊: 次
高精度的數控機床是現代機床的重要標志,其高精度指零部件的加工精度及其穩定性高,這要求機床鑄件有較低的鑄造應力和良好的尺寸精度穩定性。但床身鑄件結構復雜,一般導軌較長,壁厚差較大,在凝固、冷卻過程中由于溫度場不均勻,容易產生熱應力、相變應力、組織應力等而導致變形,嚴重影響其尺寸精度及保持性。然而,近年來關于機床鑄件的殘余應力及尺寸穩定性的研究報道很少,因鑄件的殘余應力引起的變形甚至開裂成為鑄造行業的共性技術問題之一。
床身導軌的溫度場比其他部位大,且距離澆道越遠、壁厚越大處溫度越高,越容易產生熱應力;鑄件底部方孔附近和扁冒口位置溫度場都比較低,凝固速度較快,冒口基本不能起到補縮作用,只是起到排氣作用;鑄件上箱鐵液凝固較快,原因是方口位置和芯子接觸,熱傳導系數大,冷卻較快;而下箱床身導軌凝固較慢,且由于存在較大的壁厚差,溫度分布不均勻,凝固時間相差較大,容易產生相變應力和組織應力。
在澆道上出現縮松缺陷,但不影響鑄件的質量;床身的橫導軌、豎導軌、節點等溫差較大之處也出現縮松,容易引起收縮應力,可通過放置冷鐵使鑄件實現順序凝固或利用內澆道的補縮作用加以減小、消除。床身的橫導軌有明顯的彎曲變形,導軌根部受到的拉應力比較大,約160~180MPa,應力集中也比較大,需要后續的組合時效處理來消除;導軌面上受壓應力,約-70~-180MPa;豎導軌較短,應力相對較小,拉應力約14~26MPa,壓應力約-27~-52MPa,因此變形也較小。
受床身鑄件結構的影響,所測位置的殘余應力多為壓應力,測量值基本都在數值模擬所預測的范圍之內;床身鑄件在200℃和500℃下打箱后的較大殘余應力分別為-95.7MPa和-172.9MPa,后者明顯比前者大,較低的打箱溫度有利于減小鑄件的殘余應力;球鐵滑枕鑄件粗加工前的較大殘余應力為一65.5MPa(比灰鑄鐵床身鑄件小),由于機械加工容易產生機械應力,粗加工后的較大殘余應力為-156.5MPa,明顯增大。
大型鑄件的鑄造方法常用的是砂型鑄造,其次是特種鑄造方法,如:金屬型鑄造、熔模鑄造、石膏型鑄造等。而砂型鑄造又可以分為粘土砂型、有機粘結劑砂型、樹脂自硬砂型、消失模等等。
大型鑄件優先采用砂型鑄造,主要原因是砂型鑄造較之其它鑄造方法成本低、生產工藝簡單、生產周期短。當濕型不能滿足要求時再考慮使用粘土砂表干砂型、干砂型或其它砂型。粘土濕型砂鑄造的鑄件重量可從幾公斤直到幾十公斤,而粘土干型生產的鑄件可重達幾十噸。 鑄造方法應和生產批量相適應,低壓鑄造、壓鑄、離心鑄造等鑄造方法,因設備和模具的價格昂貴,所以只適合批量生產,大型鑄件可以單件鑄造也可批量生產。
大型鑄件澆注時位置的選擇對鑄件質量、造型方法、砂箱尺寸、鑄鐵平板,鑄鐵平臺加工余量等都有著很大的影響。所以在選定澆注位置時應以保證鑄件質量為主,一般應注意下面的幾個原則:對于具有大面積的薄壁部分放在鑄型的下部,同時盡量使薄壁立著或傾斜著澆注,這樣有利于金屬的充填。由于泥芯較長,剛度不夠,在金屬液的浮力作用下,泥芯產生如圖虛線所示的彎曲變形。若改為立澆,就可以避免上述不良情況的產生。它將大型鑄件大面積的薄壁部分放在鑄件的下面,使這部分能在較高的金屬液壓力下充滿鑄型,防止澆不足。對于一些需要補縮的鑄件,應把截面較厚的部分放在鑄型的上部或側面。
機床鑄件多為床身使用,它的結構簡單,工藝性能好,便于導軌面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的運動精度,一般可用于大型數控車床或小型精密數控車床的布局。但是水平床身由于下部空間小,故排屑困難。從結構尺寸上看,刀架水平放置使得滑板橫向尺寸較長,從而加大了機床寬度方向的結構尺寸。
  水平床身配上傾斜放置的滑板,并配置傾斜式導軌防護罩,這種機床鑄件布局形式一方面有水平床身工藝性好的特點,另一方面機床寬度方向的尺寸較水平配置滑板的要小,且排屑方便。
結論
(1)水平阻流設計充型不平穩、有紊流傾向、容易卷氣、不利于排渣,可采用去除阻流片設計優化澆注系統。
(2)床身鑄件溫度場分布不均勻,上箱凝固比下箱快,床身導軌及節點處容易產生熱應力、相變應力、組織應力,鑄件上出現縮松缺陷也易引起收縮應力。
(3)床身橫導軌有較大的殘余應力:拉應力160180MPa,壓應力一70~一180MPa;豎導軌的殘余應力相對較小:拉應力14~26MPa,壓應力-27~52MPa;床身在長度方向變形量較大,在寬度和高度方向的變形量較小,沒有發生撓曲變形。
(4)盲孔法測量的殘余應力結果與數值模擬基本相符,灰鑄鐵件的殘余應力比球墨鑄鐵件大,較低的打箱溫度有利于減小殘余應力,而粗加工容易增大殘余應力。
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