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數控精密機床鑄件的發展方向

時間:2019-08-01 15:09 作者:東建鑄造 點擊: 次
在金屬切削機床灰鑄鐵件技術條件中規定,以力學性能作為驗收的依據,化學成分不作為驗收依據,如用戶需要可在合同中說明。長期以來,這項規定在我國不少機床鑄件生產廠造成認識上的誤區:既然以力學性能為驗收標準,而化學成分不作為驗收標準,那么,以降低碳當量的措施達到高強度,則是較易實現的。長期以來由于我國機床鑄件的高強度是在低碳當量下取得的,它對機床性能的負面影響很大,低碳當量、高強度產生的問題是:收縮大,導致縮孔、縮松傾向增加;殘余應力大,導致尺寸精度穩定性差,開裂傾向增大;流動性差,限制了鑄件薄壁化;加工性能差,導致切削速度的降低與刀具壽命的下降;減震性差,導致加工精度與精度穩定性的降低;質量穩定性差,這是因為低碳當量導致的上述問題在生產中反復出現,質量難以穩定。
精度是指被加工零件能達到的加工精度。因為目前數控機床已進入航空航天、兵器、核工業、電子技術、船舶等軍工領域。重型、超重型數控機床已進入大型電站設備、石化冶金設備、汽車制造等行業。這些高精度、高速切削、強力切削的數控機床對機床鑄件的剛度與減震性提出了更高的要求:航天航空、核工業、兵器、發電設備所需各種特殊性能的合金材料加工時又“粘”又“硬”,故要求機床與機床鑄件具有足夠的抗變形能力,即使在高速、強力切削下仍能保持高精度。從使用角度上看,機床鑄件的剛性比強度更為重要。實踐與計算表明,即使較大的切削力,機床鑄件的強度仍有較大的安全系數,但卻會出現由于剛性差、抗變形能力及減震性差而失去加工精度。因此高端數控精密機床在高速切削、強力切削下,機床鑄件必須具有較高的剛性與優良的減震性。
現代數控機床中主要受力的機床件,往往不是按強度設計的,大部分是按剛性設計的。提高機床鑄件剛性的措施來自兩個方面:一個是提高鑄件的結構剛性,這就是機床件向雙層壁、多層壁結構發展,形成機床件薄壁化,結構日益復雜的重要原因。另一項措施是提高機床鑄件的材質剛性,即彈性模量,而彈性模量的高低主要取決于抗拉強度。因此現代的高端數控機床鑄件皆采用了高強度灰鑄鐵HT300,HT350及高強度、高剛度球墨鑄鐵材質。
保持加工時高精度的另一因素是機床鑄件必須具備優良的減震性。值得提出的是,在減震性能中,灰鑄鐵的減震性優于球墨鑄鐵,而灰鑄鐵中,碳當量高的減震性又優于碳當量低的。實踐表明,高碳當量、低強度灰鑄鐵吸震率高,其次是低碳當量、高強度灰鑄鐵,球墨鑄鐵次于灰鑄鐵,碳鋼較低,這也是機床件大部分是灰鑄鐵的原因。長期以來,機床鑄件的高剛度、高強度與優良的減震性難以統一。前者要求低碳當量,后者要求高碳當量,因此高端精密機床的精度要求其鑄件既要有強有力的抗變形能力的材質剛性,又要有優良的減震性,這就要求碳當量與高強度、高剛度在一個新的高度上達到平衡。即在高碳當量下達到高強度、高剛度。
超長床身的毛坯除了合理選用材料和各種成型工藝外,熱處理工藝也是必不可少的。金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一,床身類鑄件產品作為一種大型鑄件,必須要經過熱處理才能提高本身的使用性能,改善鑄鐵平板的內在質量。與其它加工工藝相比,熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分,而是通過改變工件內部的顯微組織、改變工件表面的化學成分,賦予或改善工件的使用性能,其特點是改善工件的內在質量。
1)時效處理
機床床身作為大型鑄件必須要經過時效處理才能改善內在的質量,提高使用性能。在進行床身鑄造時,由于床身鑄件設計壁厚、形狀、冷卻速度的不同,會在床身鑄件的內部產生鑄造應力,若這種應力不及時予以消除,會使床身鑄件在后面的切削加工或使用過程中產生變形或裂紋,因此為了消除鑄件的殘余鑄造應力,應當采用低溫退火工藝進行鑄造。
而且床身鑄件在加工過程中應嚴格遵守回火工藝,為了防止鑄件產生變形或斷裂,在床身易變形部位應當加入支撐筋,派專人值守回火爐溫度計合理控制溫度,防止回火溫度過高或過低對床身鑄件產生影響。
2)淬火處理
由于重型機床床身一方面承受極大的載荷,同時其導軌面處于開放區域,無法進行保護,容易造成磨損,因此部分重型機床床身為了提高導軌的耐磨性,有床身導軌淬火的技術要求。淬火是提高零件硬度抵抗磨損有效的工藝方法。
淬火中較常用的冷卻介質是鹽水、水和油。鹽水淬火的工件,容易得到高的硬度和光潔的表面,不容易產生淬不硬的軟點,但卻易使工件變形嚴重,甚至發生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火。
重型機床超長床身的熱處理主要為時效處理,且在床身的加工過程中安排兩次時效處理。一次安排在鑄造后,因為床身各個部位厚薄不一,鑄造后因為冷卻收縮在床身內部產生的應力會分布不均勻,為了消除鑄造后的內應力,所以在鑄造后安排了一次時效處理,以此改善材料的切削加工性能。第二次時效處理安排在粗加工后,因為粗加工過程中切除了大部分的余量,由于切削力、切削熱和裝夾變形的作用,也會產生一定的加工內應力,盡管在數量上比較小,但為了保證床身的高精度和穩定性,工藝上也在粗加工后安排了一道熱時效,以消除粗加工后零件的內應力,進一步減小床身變形。根據我們的經驗床身熱時效回來后一般會有1~2mm的變形量,這也證明了粗加工后熱時效的必要性。
床身鑄件的時效處理在工藝上對加熱溫度和保溫時間均有嚴格的要求和規范,以保證鑄件時效后內應力的充分釋放。 
在保溫時間上,如按工藝保溫時間不足二分之一時,天然氣突然停止,應將天然氣閥門及煙道閥門關閉,重新進行時效處理。如保溫時間超過六小時天然氣突然停止,就關閉天然氣閥門及煙道閥門,使鑄件緩慢冷卻,降至規范曲線規定的出爐溫度以下即可出爐,要求鑄件時效前后硬度差不得超過HB10。
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