大型机床床身铸造工艺研究

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1、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 2040mm,属于中厚壁铸件,重量 一般在 550t,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,

2、且导轨非常厚 大,一般在 40100mm,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 180241HB,硬度差HB351,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

3、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

4、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

5、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

6、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 525mm 不等,根据导轨长度确定:床身 长度5m,每 1m 铸件留 反变形量 1.52.5mm;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

7、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 1020mm 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 35mm 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

8、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 35min 内浇注完。 2.6 冒口设计 多采用耳冒口形式,厚大

9、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 23 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

10、,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 0.40.5 提高到 0.70.8,将铁液出炉温度提高到 1450以上,抗拉强度可提高 2030MPa,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

11、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

12、%) 牌号 CSiMnSPCr HT250 2.93 .1 1.31. 5 1.01 .2 0.120.15 0.3 HT300 2.93 .2 1.21. 6 0.91 .2 0.10.120.3 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,

13、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

14、 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 M71503m、M71505m、M7150

15、6.6m、M71508.6m, M715012.6m、M84636.6m、M84638.6m、M80406.6m、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,不仅操作安全方便,而且经济适用,效果很好,相比 劈模造型而言,生产以上铸件可节约工装费用 100 余万元。 ( 3)应用组箱组芯法生产大型机床床身,具有经济适用,操作安全性 高的优点,很适合铸造厂手工造型。应用此工艺方法,从理论上讲,无 论多长的铸件都能够生产,从而扩大了我厂的生产能力,拓宽了市场 领域。 ( 4)充分考虑机床床身铸件本身的结构特点,正确选取各项工艺参数,合 理调整铁液成分,保证铁液温度,做好各类缺陷的防止措施,就能够成 功铸造大型机床床身。