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大型机床床身铸造工艺研究

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。
13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1～2mm反变形量;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
C
Si
Mn

S
P
Cr
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、M7150×66m、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,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。
其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。
二．培训的及要求培训目的
安全生产目标责任书
为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：
一、目标值：
1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。
2、现金安全保管，不发生盗窃事故。
3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。
4、安全培训合格率为100%。
二、本单位安全工作上必须做到以下内容：
1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。
2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。
3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。
4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。
5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。
6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。
7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。
8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；
9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。
10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；
11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。
三、 安全奖惩：
1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。
2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落