大型龍門銑床立柱鑄造工藝

崔曉斌，孟偉娜，孫津原，劉雅蕓（貴州大學(xué)機(jī)械學(xué)院，貴陽 550000）

大型龍門銑床立柱鑄造工藝

崔曉斌，孟偉娜，孫津原，劉雅蕓
（貴州大學(xué)機(jī)械學(xué)院，貴陽 550000）

針對某大型龍門銑床立柱的鑄造工藝難點，對鑄件生產(chǎn)過程的關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行了分析，介紹了這種大型龍門銑床立柱的鑄造工藝，重點包括分型位置、砂芯設(shè)計、澆注位置設(shè)計、冒口設(shè)計、熱處理等。應(yīng)用華鑄CAE軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，驗證了設(shè)計的合理性，使鑄件的缺陷控制在可接受的范圍之內(nèi)。

大型鑄件；龍門銑床立柱；砂芯設(shè)計；華鑄CAE

立柱是龍門銑床較為重要的支撐零部件，為保證整機(jī)的加工性能，龍門銑床立柱應(yīng)該具有較高的剛度和強度，同時具有抗震性。立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計在保證剛度的前提下，越來越追求輕量化及其動態(tài)性能的提升，這使得立柱多為薄壁多腔多筋結(jié)構(gòu)，加之其尺寸一般較大，就造成鑄造過程工藝復(fù)雜，鑄件質(zhì)量難以控制，給鑄造工藝的設(shè)計帶來了很大的困難。

1　鑄件概況

1.1鑄件的外形尺寸和技術(shù)要求

鑄件輪廓尺寸為1990mm×1210mm×900mm，重2.9t，主要壁厚為25～50mm，屬于中型鑄件，從側(cè)面看呈“J”字形，如圖1所示。生產(chǎn)綱領(lǐng)為大批量，鑄件尺寸公差要求達(dá)到GB/T6414 CT11；鑄件不應(yīng)有砂眼、疏松、裂紋等缺陷；鑄件需進(jìn)行時效處理。

圖1　鑄件形狀

表1　HT300化學(xué)成分

1.2材質(zhì)的性能及化學(xué)成分

HT300是珠光體基體灰鑄鐵，其強度和硬度相對較高。鑄件壁厚30～50mm時最低抗拉強度達(dá)到290MPa。伸長率0.3～0.8%，硬度163～255HBW。在灰鑄鐵中，碳當(dāng)量是影響鑄件力學(xué)性能和鑄造性能的主要因素。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為降低碳的含量、提高錳的含量，可以增加珠光體的數(shù)量，提高鑄件的強度；但是材料的鑄造性能變差，白口傾向也會增加。因此，碳當(dāng)量應(yīng)根據(jù)鑄件斷面尺寸，需要的力學(xué)性能、工藝性能和使用性能而定。用于結(jié)構(gòu)件的灰鑄鐵選擇的碳當(dāng)量一般在3.5%～4.2%之間，重型機(jī)床機(jī)座件，碳當(dāng)量應(yīng)當(dāng)在3.5% ～4.9%；在一定的碳當(dāng)量下，還可以調(diào)整硅碳比來提高強度（如圖2）［2］。調(diào)整HT300的化學(xué)成分如表1所示。

HT300具有良好的鑄造性能。其化學(xué)成分在共晶點附近，流動性很好；減摩性好，減震性好，缺口敏感性好；體積收縮率較小，自由線收縮率為0.9%，受阻收縮率0.8%；由于鑄鐵件是液態(tài)澆注成形，鑄鐵表面冷速大，易得到白口組織且存在較大應(yīng)力，因此必需對鑄鐵進(jìn)行改性處理。

圖2　一定碳當(dāng)量下硅碳比與材料抗拉強度的關(guān)系

1.3鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性

鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多腔室多板筋；壁厚梯度較大，熱節(jié)部位多且復(fù)雜；棱角部位做了很多的工藝圓角處理，有利于合金熔液的充填；重要導(dǎo)軌面尺寸精度、鑄件致密性要求較高，是機(jī)械加工面，需設(shè)置合理的加工余量。

2　鑄造工藝

為獲得性能良好、組織致密、質(zhì)量達(dá)標(biāo)的鑄件，設(shè)計合理的鑄造工藝。根據(jù)生產(chǎn)要求、零件結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)成本控制原則，采用砂型重力鑄造方法，兩箱分模造型，每箱一件。鑄型和砂芯都采用冷硬呋喃樹脂砂，樹脂砂工藝的尺寸公差比粘土砂可提高2級，表面粗糙度可降低1～2級，鑄件廢品率可減少一半。為保證獲得化學(xué)成分均勻、穩(wěn)定的鐵液，采用高頻感應(yīng)電爐熔煉工藝，稀土鉻錳鈣鋇孕育劑隨流孕育，這種孕育劑不僅保證了鑄件的力學(xué)性能，還降低了感應(yīng)電爐熔煉的白口傾向，降低了成本。合金溶液的出爐溫度為1450℃，澆注溫度1350℃。

2.1分型位置

針對鑄件，設(shè)計兩套方案如下圖3、4。

圖3　方案一

圖4　方案二

方案一和方案二都采用橫放水平澆注的方式，既可以避免豎放沙箱過高帶來的麻煩，也減少了砂芯的數(shù)量，簡化了工藝。比較兩個方案方案二更優(yōu)，其將重要加工面朝下，無法朝下的也是側(cè)立放置，保證鑄件質(zhì)量；將鑄件大部分放置在下箱，減少鑄件的尺寸偏差；減少了懸臂芯的數(shù)量。

2.2砂芯設(shè)計

除上下兩個面用自帶砂芯成型的孔、槽以外，鑄件內(nèi)外共設(shè)計12個砂芯來成型孔、腔結(jié)構(gòu)。其中4#、5#、6#成對6個芯公用一個芯盒；7#、9#為大的懸臂芯，應(yīng)放置足夠數(shù)量的芯撐。 3#是外型芯，目的是為了冷鐵、2#芯頭部位的脫模更加方便。8#芯同理。另外，由于2#和7#本屬于內(nèi)型芯，其芯頭從多個方向伸出來造成下芯困難，與3#、8#外型芯搭配使用可以順利下芯。

圖5　砂芯及其編號

2.3澆筑位置

根據(jù)分型面的選擇及生產(chǎn)要求，采用半封閉中間注入式澆注系統(tǒng)，系統(tǒng)有金屬液呈現(xiàn)充滿狀態(tài)，撇渣能力強，造型方便，相對底部注入補縮效果好、出品率高的優(yōu)點。各單元的斷面比列設(shè)計為：F直：F橫：F內(nèi)=1.2:1.4:1。澆筑位置在分型面（參看圖6）。

2.4冒口設(shè)計

為防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松等明顯的鑄造缺陷，在鑄件頂端設(shè)置冒口。嚴(yán)格控制金屬液的凝固順序，由模數(shù)法及補縮距離確定出冒口的數(shù)量和尺寸。通過華鑄CAE軟件的多次模擬，最終確定冒口設(shè)置如圖6。

圖6　澆冒系統(tǒng)示意圖

圖7　消應(yīng)力退火

3　熱處理

根據(jù)技術(shù)要求，應(yīng)該對鑄件進(jìn)行去應(yīng)力退火以防止開裂。若在冷鐵處出現(xiàn)白口組織影響機(jī)加工，要進(jìn)行消白口退火。熱處理規(guī)范如圖7。

4　CAE模擬仿真

華鑄CAE鑄造工藝分析軟件系統(tǒng)以鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心，可對鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析，可完成多種合金材質(zhì)、多種鑄造方法下的流動分析、凝固分析以及流動和溫度的耦合計算分析。

圖8　充型壓力

由于流動中的負(fù)壓區(qū)域與鑄件最終卷氣夾渣的形成常常有高度關(guān)聯(lián)，通過跟蹤流動過程的負(fù)壓（圖8），發(fā)現(xiàn)并沒有太大的紊流和不平穩(wěn)充型，可以驗證出澆筑系統(tǒng)設(shè)計合理，出現(xiàn)卷氣、夾渣的可能性低。

圖9　固相率分布

軟件以色標(biāo)與固相率的方式顯示各時間點流體各處的固相分布，通過觀察充型結(jié)束時的固相率分布（圖9），并沒有過多的固相帶，可以驗證鑄件充型性能良好，不存在澆不足的情況。

圖10　縮孔形成圖

鑄件在凝固過程中呈現(xiàn)糊狀凝固的特點明顯，糊狀區(qū)在凝固完成后易成為縮松區(qū)域。通過觀察縮孔形成圖（圖10），縮孔縮松集中冒口處，鑄件厚大處的縮松也控制在可接受范圍，冒口設(shè)計到預(yù)期效果。

5　總結(jié)

龍門銑床立柱尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對導(dǎo)軌面的內(nèi)在質(zhì)量要求高，工作環(huán)境承受較大的載荷，生產(chǎn)難度大。經(jīng)過精心的生產(chǎn)準(zhǔn)備和工藝設(shè)計，結(jié)合鑄造經(jīng)驗和模擬仿真，得出了較好的鑄造工藝設(shè)計方案。

［1］黃偉.龍門銑床立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，32（01）：118～121.

［2］杭新.HT350高強度灰鑄鐵組織與性能的研究［D］.吉林大學(xué)，2014. ［3］王文清，李魁盛. 鑄造工藝學(xué)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［4］陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［5］黃天佑.鑄造手冊 第4卷 造型材料［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2012. ［6］施廷藻. 鑄造實用手冊［M］.東北工學(xué)院出版社，1988.

［7］黃放，潘粉華，羅湛等.基于有限差分法的轎車助力轉(zhuǎn)向泵殼體金屬型鑄造的模擬及生產(chǎn)驗證［J］.鑄造，2010.

［8］毛紅奎，徐宏.鑄造過程模擬仿真及工藝設(shè)計［M］.國防工業(yè)出版社，2011.

［9］馮睿，黃放.轉(zhuǎn)向泵殼體鑄件缺陷分析及其解決［J］.特種鑄造及有色合金，2012.

［10］關(guān)洋，李寶治，孫遜等.鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬前后處理技術(shù)研究［J］.鑄造，2004.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.034

貴州大學(xué)數(shù)字化精密成形技術(shù)及裝備研究生創(chuàng)新實踐基地研究生創(chuàng)新項目。

崔曉斌，男，河北人，碩士研究生，主要從事先進(jìn)成形技術(shù)的研究。