大型數(shù)控機床低應力高精度床身鑄造技術

周長春，易 濤，李曉虎，范洪遠

（1.四川大學生物材料工程研究中心，四川 成都 610064；2.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065；3.四川簡陽海特有限公司，四川 成都 610031）

1 引言

高檔大型數(shù)控機床是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關鍵設備，也是制造業(yè)智能化的核心裝備。床身是機床最重要的基礎部件，它是機床各項幾何精度的測定基準，作為整機基座，其它零部件搭載其上工作[1]。高檔大型數(shù)控機床的床身鑄件，占機床總重量約（70～80）%，重量一般在幾噸到幾十噸之間，床身鑄件鑄造質量要求很高，它在保證大型數(shù)控精密機床的加工性能、精度及精度保持性方面起著至關重要的作用。高檔大型機床用高性能鑄件及其關鍵技術是決定機床整機功能、性能[2]。目前，我國機床行業(yè)與世界機床強國相比仍有一定差距，尤其是在中高檔大型機床產(chǎn)品方面，國產(chǎn)機床功能部件無論從品種、數(shù)量、檔次上都不能滿足主機配套要求，我國目前很大程度上仍然需要進口。這類產(chǎn)品鑄造技術要求高，生產(chǎn)風險大，報廢一件，直接經(jīng)濟損失就可能達到數(shù)十萬元乃至上百萬元，且穩(wěn)定性不好有可能在整機運行中造成重大的質量事故。大型機床床身鑄件產(chǎn)品作為一種高端鑄造類零件，其必須要經(jīng)過生產(chǎn)工藝控制才能夠保障其自身的使用性能，保證工件長效服役尺寸精度，提高鑄件品質。大型機床床身鑄件體量巨大，其作為關鍵承重功能零部件的顯著特點在于其尺寸巨大，通常單一砂型鑄造產(chǎn)品尺寸甚至可達長×寬×高：（14×2.5×2.0）m之巨。在進行機床床身鑄造時，由于機床鑄件設計形狀、壁厚、冷卻速度不同，會在機床鑄件，特別是大型機床鑄件的內(nèi)部產(chǎn)生鑄造內(nèi)應力，這種應力不消除，會使鑄件在隨后的切削加工或使用過程中產(chǎn)生變形，進而影響床身鑄造產(chǎn)品的精度穩(wěn)定性。目前這類床身類鑄件產(chǎn)品大多為普通灰鑄鐵，如HT200、HT250、HT300等，精度等級為1～3級，工作面硬度約HBW170-200，但是國內(nèi)產(chǎn)品在質量驗收時通常未做金相組織要求，不對殘余應力進行測量，因此用戶和生產(chǎn)商很難對大型床身鑄造產(chǎn)品進行質量控制和精度穩(wěn)定性能研究[3]。

已有研究認為在鑄造過程中影響機床床身鑄件尺寸精度穩(wěn)定性的因素主要包括：

（1）熱變形及溫度梯度引起鑄件變形。鑄件熱變形的主要原因之一是鑄件中的金相組織不均勻，不同組織具有不同的熱膨脹系數(shù)以致溫變時產(chǎn)生不均勻膨脹（如線膨脹系珠光體α=10～11×10-6mm/mm℃，鐵素體α=12～12.5×10-6mm/mm℃，滲碳體α=6～8.5×10-6mm/mm℃）。其二是外界溫度變化時，床身厚薄壁不同部位熱含量不同，產(chǎn)生溫度梯度而膨脹不一致產(chǎn)生翹曲變形。

（2）由于金屬組織的不均勻性，晶粒彈性的各向異性，晶粒取向不同以及載荷的不均勻分布，使晶粒之間產(chǎn)生不同的應力，在外力作用下這種應力會引起材料的蠕變和尺寸不穩(wěn)定性，引起微觀屈服。

（3）鑄件殘余應力及其穩(wěn)定性。鑄件殘余應力主要由下列幾部分應力構成：①鑄造內(nèi)應力：鑄件冷卻進入彈塑性區(qū)間時，由于各部位存在溫差，致使不均勻的收縮或收縮受阻而造成鑄造應力。②切削加工的附加應力。③時效中產(chǎn)生的二次應力。

上述幾方面因素往往導致床身在使用過程中，或是使用一段時間之后，由于組織不均勻、應力狀態(tài)的變化或不穩(wěn)定，致使機床整機精度穩(wěn)定性下降[4，5]。為了保障床身鑄件尺寸精度和穩(wěn)定性，本研究通過在床身鑄件鑄造過程中，應用高頻振動工藝控制鑄件的凝固過程，改善鑄件的金相組織和相組成均一性，進而改善床身鑄件的尺寸精度。

2 實驗

2.1 大型床身鑄件制備

本實驗對象為某公司生產(chǎn)的大型機床床身鑄件，其鑄件為12米長數(shù)控龍門導軌磨床床身，其制備工藝流程，如圖1所示。主要分三個部分：（1）砂型制造；（2）鐵水熔煉；（3）澆鑄；（4）振動凝固；（5）取件；（6）熱時效處理。針對大型機床床身鑄件，本研究的砂型制作選用寶珠砂作為鑄件砂型制造，砂型表面制造平整，緊實，避免尖角或狹長通道設計。將廢鋼、硅鐵、錳鐵、低碳鉻鐵、銅等原料置于沖天爐中熔煉，采用硅鐵、錳鐵脫氧，用硅-鈣擴散脫氧精煉，熔煉溫度為（1400～1500）℃，鐵水出爐溫度1450℃，澆注溫度為（1350～1400）℃，液態(tài)金屬熔煉鑄件材料組成元素的質量百分比化學成分為近似于HT350的化學組成。為對比效果，本實驗同時對經(jīng)同種工藝制備的兩組床身鑄件分別進行振動凝固和常規(guī)凝固工藝澆注。待鑄件冷卻至（350～450）℃打箱，取出鑄件，切除冒口和澆道，打磨清理飛邊。最后進行熱時效處理，工藝過程為，以10℃／min速度升溫至350℃，保溫5小時，再隨爐冷卻。

2.2 大型床身鑄件立體振動凝固工藝

為了進一步消減大型機床床身鑄件的鑄造應力，提高其尺寸精度穩(wěn)定性，因此研究中采用了一種低應力高精度大型床身鑄件的振動凝固生產(chǎn)方法，解決現(xiàn)有大型床身鑄件成分及組織易于不均勻，晶粒粗大，殘余應力過大的問題，目的在于均勻鑄件組織，獲得低應力高尺寸精度的鑄件[6-7]。該技術是通過對凝固過程中的金屬液體施加高頻立體振動場來實現(xiàn)的，具體的技術方法包括以下步驟：

（1）在鐵水凝固過程中，通過小波頻譜分析技術，采用激振方式對液態(tài)金屬凝固狀態(tài)下的一階頻率、二階頻率、三階頻率及N階頻率進行測定，測定的結果用于以下過程確定加載振動場頻率和參數(shù)時使用。

（2）在鐵水剛充滿鑄型腔時，經(jīng)鑄型腔的澆口或冒口處由振動棒施加（10～200）Hz低頻立體共振場，以促使金屬液態(tài)充滿型腔；低頻立體共振場（2～5）min。

（3）在鐵水冷卻至Fe-C共晶點的附近±50℃內(nèi)實施（200～2000）Hz高頻立體共振，提高鐵水過冷度，促進凝固形核，并使已形成長大的支晶被破碎打斷，形成新的細小晶粒；高頻立體共振（2～5）min。

（4）靜置鑄件砂型，待鑄件冷卻至（350～450）℃打箱，取出鑄件，切除冒口和澆道，打磨清理飛邊。

圖1 機床床身鑄件鑄件制備工藝流程Fig.1 Process Flow of Machine Tool Bed Casting

2.3 大型床身鑄件顯微組織觀察

在制備的機床鑄件上切取（10×10×10）mm試樣制備金相樣，觀察其顯微組織。取樣制備標準拉伸試棒，測量鑄件力學性能。

2.4 殘余應力檢測

本實驗中，殘余應力的測試采用盲孔法測量[8]，分別對不同鑄件測量共8個測試點取平均值，測試樣品分組為：常規(guī)凝固組（#1）、振動凝固組（#2）、熱時效處理前（#3）、熱時效處理后（#4）。試驗中使用的盲孔應力檢測儀型號為BE120-2CA-K，電阻值為120Ω±0.3，靈敏系數(shù)2.3，測試使用的鉆孔工具是機械式測鉆儀，鉆頭采用的是φ1.5mm的麻花鉆，孔深為2mm，孔與孔之間的距離大于22.5mm，使用專用應力測試設備，在鑄造件的某個特殊點H，對該H點進行振動時效前的具體應力值檢測，比如測得的值為A，如果振動時效處理的每個工件的H點的應力值，都降低了A×40%，則可認為達到時效效果，否則沒有達到時效效果[9]。鑄件殘余應力測試采用盲孔法，即在被測工件上確定8個測試點，如圖2所示。在每個測試點位貼上電阻應變花，盲孔法測鑄件殘余應力示意圖及使用的電阻應變花，如圖3所示。隨后在被測點上鉆一小盲孔，使被測點的應力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應變計測得釋放的應變量，再根據(jù)彈性力學原理計算出殘余應力來[10]。

圖2 大型床身鑄件盲孔法長度方向均分8個測試點實例圖Fig.2 Diagram of 8 Test Points Evenly Distributed in the Length Direction of Blind Hole Method on Large Bed Casting

圖3 盲孔法測鑄件殘余應力示意圖Fig.3 Diagram of Residual Stress of Castings Measured by Blind Hole Method

3 結果與分析

3.1 鑄件顯微組織及機械性能

大型床身鑄件的金相顯微組織經(jīng)SEM，光學顯微鏡觀察，其機械力學性能通過萬能試驗機及布氏硬度計測試。經(jīng)檢測該機床鑄件的抗拉強度355MPa；布氏硬度218HB，均達到國標對床身鑄造產(chǎn)品的力學性能要求。大型床身鑄件金相顯微組織光學顯微鏡觀察圖，如圖4所示。其中金相顯微組織的放大倍率均為100倍，圖4（a）常規(guī)凝固組（#1）、圖4（b）為振動凝固組（#2）、圖4（c）為熱時效處理前（#3）及圖4（d）熱時效處理后的顯微金相組織圖。通過分析測試樣品的顯微組織圖可知，振動凝固組床身鑄件，由于振動凝固工藝的作用，其低頻振動促進了液態(tài)金屬的充型，減少了傳統(tǒng)鑄造過程中常出現(xiàn)的氣孔、夾雜、偏析、縮孔等鑄造缺陷，獲得了更為良好的表面質量，高頻振動提高了鐵水過冷度，促進凝固形核，并使已成形的支晶破碎打斷，形成新的細小晶粒，獲得的鑄件具有更小的平均晶體尺寸。振動凝固組（#2）在放大倍數(shù)為100x下，可以看到均勻分布的石墨。經(jīng)振動凝固及熱處理后獲得的大型床身鑄件金相顯微組織SEM圖，如圖5所示。如圖5（a）所示，在放大倍數(shù)為50x下，可以看到石墨組織分布較為均勻，呈現(xiàn)無規(guī)律排布狀態(tài)；進一步從更高倍率圖（b）中可以看到石墨的形態(tài)是A型石墨，A型石墨（90～95）%，有約小于10%的少量D型石墨，但不未觀察到E型石墨存在，石墨等級為（4～5）級；圖5（c）中，在2000x的倍率下，能看到大量的層片狀珠光體，且不同珠光體組織間具有明顯的相組織界面，珠光體含量大于98%，余量為鐵素體。更高倍率圖5（d）顯示珠光體呈細片狀均勻分布，珠光體片間距≤2μm，磷共晶+碳化物≤2%。

圖4 大型床身鑄件金相顯微組織光學顯微鏡觀察圖Fig.4 Optical Microstructure Observation of Large Bed Castings

圖5 經(jīng)振動凝固及熱處理后獲得的大型床身鑄件金相顯微組織SEM觀察圖Fig.5 SEM Observation of Microstructure of Large Bed Castings Obtained After Vibration Solidification and Heat Treatment

3.2 殘余應力分析

通過盲孔法測得常規(guī)凝固組（#1）、振動凝固組（#2）、熱時效處理前（#3）、熱時效處理后（#4）的殘余應力結果，如表1所示。由表1可見，8個測試點中除了第8點的殘余應力由壓應力變成了拉應力，其他測試點的拉應力都有明顯降低。經(jīng)計算，常規(guī)凝固組試樣鑄件的平均殘余應力為86.13MPa，振動凝固組試樣鑄件的平均殘余應力為61.39MPa，經(jīng)振動凝固可有避免凝固過程中的殘余應力28.72%。振動凝固鑄件經(jīng)熱時效處理后的平均殘余應力為4.52MPa，經(jīng)熱處理應力消除92.64%。其中尤其值得注意的是，本研究中的#4試樣鑄件，綜合應用振動凝固工藝及熱處理時效之后，其II類殘余應力有效消除≥95%。

表1 盲孔法測試大型床身鑄件殘余應力（最大主應力MPa）Tab.1 Residual Stress（MPa）of Large Bed Castings by Blind Hole Method

大型機床床身鑄件經(jīng)常規(guī)凝固（#1）、振動凝固（#2）、熱時效處理前（#3）、熱時效處理后（#4）的殘余應力結果，如圖6所示。從圖中可以看出，8個測試點中的測試結果顯示，所有測試點的殘余應力值都有明顯降低，大型機床床身鑄件的殘余應力可以通過振動凝固有效降低，高頻立體共振提高鐵水過冷度，促進凝固形核，增加形核數(shù)量，利于結晶晶體組織細化，經(jīng)振動凝固可有降低大約28%的在凝固過程中產(chǎn)生的殘余應力。振動凝固鑄件進一步經(jīng)熱時效處理后其平均殘余應力為4.52MPa，經(jīng)熱處理可以有效消除90%以上的殘余應力。綜合應用振動凝固工藝及熱處理時效，大型床身鑄件的殘余應力可有效消除95%以上。從上述殘余應力的檢測結果分析，振動凝固及熱時效處理工藝均產(chǎn)生了明顯的應力消除，其中尤其是熱處理時效對應力的消除比較明顯。從兩種殘余應力去除機理上看，振動時是通過外部施加動應力與鑄件凝固時的晶核晶枝作用，疊加后的振動破壞了晶體的生長，在微觀方面，振動凝固的實質上金屬材料內(nèi)部晶體位錯運動、增殖、塞積和纏結的過程，實質上就是起到了一種細化晶體的作用。工件內(nèi)部實際應力情況比較復雜的，眾多位錯相互作用、位錯移動方向的復雜導致了振動凝固后會材料晶粒細化，各處殘余應力較為均勻，所以振動凝固對產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性具有積極有益效果。同時振動凝固工藝不受工件尺寸、形狀、質量等限制，可處理幾千克至幾百噸的工件。工件不需運輸可就地處理，采用振動時效具有減少環(huán)境污染、縮短生產(chǎn)周期、改善勞動條件、工藝簡便等優(yōu)點。

圖6 大型機床床身鑄件經(jīng)常規(guī)凝固（#1）、振動凝固（#2）、熱時效處理前（#3）、熱時效處理后（#4）的殘余應力結果Fig.6 Residual Stress Results of Large Machine Tool Bed Castings After Conventional Solidification（#1），Vibration Solidification（#2），Thermal Aging Treatment（#3）and Thermal Aging Treatment（#4）

4 結論

（1）大型機床床身鑄件應用振動凝固工藝，可有效減少傳統(tǒng)鑄造過程中常出現(xiàn)的氣孔、夾雜、偏析、縮孔等鑄造缺陷，獲得了更為良好的表面質量，高頻振動提高了鐵水過冷度，促進凝固形核，并使已成形的支晶破碎打斷，形成新的細小晶粒，獲得的鑄件具有更小的平均晶體尺寸。（2）振動凝固工藝生產(chǎn)的大型床身鑄件的顯微組織中，石墨形態(tài)為A型石墨，組織分布均勻，呈現(xiàn)無規(guī)律排布狀態(tài)；A型石墨（90～95）%，有約小于10%的少量D型石墨，但不未觀察到E型石墨存在，石墨等級為（4～5）級。大量的層片狀珠光體夾雜在鐵素體基質之中，珠光體含量大于98%，珠光體片間距≤2μm，磷共晶+碳化物≤2%。（3）振動凝固工藝有效地消除工件內(nèi)部非常有害的殘余應力，振動凝固組試樣鑄件的平均殘余應力為61.39MPa，經(jīng)振動凝固可有避免凝固過程中的殘余應力28.72%。（4）床身鑄件經(jīng)熱時效處理后，其應力鑄件熱時效處理后8個點位的平均應力是4.52MPa，經(jīng)熱處理應力消除92.64%。綜合應用振動凝固工藝及熱處理時效之后，其II類殘余應力有效消除≥95%。