機床床身鑄件鑄造工藝的開發(fā)與設(shè)計

（宜賓普什聯(lián)動科技有限公司，四川宜賓 644007）

長導(dǎo)軌機床床身鑄件是我公司為歐洲某公司開發(fā)設(shè)計的。該導(dǎo)軌鑄件長達4.5 m，鑄造及機加精度要求非常高，其鑄件重量為7.5 t，材質(zhì)為EN-GJL-300，相當(dāng)于HT300，單鑄抗拉強度≥300 MPa，本體硬度需要達到200 HB～230 HB，基體的珠光體含量≥98%，尺寸公差等級為CT10 級，導(dǎo)軌部位不允許有夾渣、夾砂、縮松等任何缺陷。鑄件的性能要求較高，易產(chǎn)生彎曲變形，為此進行了技術(shù)攻關(guān)。

1 結(jié)構(gòu)分析

該鑄件壁厚為20 mm～50 mm，屬于中厚壁鑄件，鑄件導(dǎo)軌長達4.5 m，非常容易產(chǎn)生彎曲變形缺陷，另外導(dǎo)軌處壁厚達到115 mm.由于鑄件的導(dǎo)軌面是重要面，因此將導(dǎo)軌面放置于下箱來制造，但如果不利用補縮容易產(chǎn)生組織疏松缺陷，另外也會伴隨著砂孔、氣孔的產(chǎn)生。該鑄件為單件小批量生產(chǎn)，沒有現(xiàn)成的工藝裝備，加上形狀較為復(fù)雜，給模具開發(fā)和工藝設(shè)計造成了較大困難。經(jīng)過綜合考慮和成本投入，公司決定采用木模裝備及新投入鑄鐵砂箱來保證產(chǎn)品質(zhì)量及成本的最低化。

2 鑄件工藝設(shè)計

2.1 分型面及基本工藝參數(shù)的確定

從床身的結(jié)構(gòu)分析，為了確保導(dǎo)軌面的質(zhì)量，該鑄件考慮將導(dǎo)軌面布置于下模；另外為了起模方便，簡化操作過程，將鑄件從大截面處分開并在此建立分型面如圖1 所示。這樣鑄件大部分均處于下箱，變形量較小且尺寸也得到了保證。

圖1 機床件的分型面確定

該床身件采用樹脂砂工藝造型，鑄造收縮率取0.8%～1%，長度方向取1%而寬度方向取0.8%.加工余量取10 mm～12 mm.為防止床身變形，在床身中心導(dǎo)軌面處留有反變形量3 mm.鑄件內(nèi)腔由砂芯拼裝組芯完成下芯，在每個砂芯上留有0.5 mm 的分芯負(fù)數(shù)。另外在上、下型面結(jié)合處采取了防跑火措施，上、下面各留有1 mm 的分型負(fù)數(shù)，來保證鑄件的尺寸精度。

2.2 砂芯的設(shè)計

由于導(dǎo)軌面朝下，砂芯設(shè)計時沒有下芯頭進行定位，砂芯全部采用芯撐的方式來支撐，而在鑄件的上表面均開設(shè)有窗口，因此可以利用該窗口進行芯頭的定位設(shè)計。在砂芯的設(shè)計上應(yīng)滿足芯子便于固定和排氣、便于下芯及測量尺寸、有平整的填砂面和參考面、芯子的形狀及尺寸應(yīng)滿足公差要求等等。內(nèi)腔均采用呋喃樹脂作為砂芯的制芯材料，砂芯的分芯面盡量與砂型的分型面一致，起模斜度也與外模的斜度一致，以保證砂芯和砂型之間所形成的壁厚均勻，減少鑄件飛皮，同時也有利于砂芯的排氣。內(nèi)腔所有砂芯的設(shè)計均為四周開模，上部芯頭處填砂，局部起模受限處考慮活塊抽芯的方式，芯頭采用垂直芯頭并按照《鑄造工藝手冊》進行設(shè)計[1]。

2.3 芯撐的設(shè)計

鑄件內(nèi)腔較為復(fù)雜，內(nèi)腔砂芯沒有芯頭定位，采用吊芯的方式難以操作且不安全，因此決定采用芯撐的方式。芯撐應(yīng)有足夠的強度，不得過早熔化而失去支撐作用。在鑄件凝固過程中，芯撐必須與鑄件很好焊合，芯撐的設(shè)計需要同時考慮界面的結(jié)合和高溫強度[2]。另外，一定要保證芯撐清潔度，盡可能遠離內(nèi)澆口，避免金屬液流對芯撐的流動浸蝕。通過NX 計算并得出砂芯的重量，并視鐵液為全流體狀態(tài)且流動穩(wěn)定，那么芯撐所受到的壓力可近視看作砂芯的重量，當(dāng)砂芯比較重時可將砂芯的壓力分?jǐn)倿閹讉€芯撐。本次芯撐的設(shè)計根據(jù)內(nèi)腔砂芯的不同，得到如圖2 所示的幾種芯撐結(jié)構(gòu)。

3 澆注系統(tǒng)和補縮系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 澆注系統(tǒng)

考慮到該導(dǎo)軌比較長，因此決定從導(dǎo)軌的兩個端頭引入鐵液，另外輔以多內(nèi)澆口的方式在其他的平面位置進行布置。直澆道從鑄件的一個長度方向中間部位引入。為了盡可能的提高鑄件的質(zhì)量，采用了陶瓷過濾網(wǎng)作為擋渣措施。整個鑄件的澆注時間按式（1）進行確定：

式中：S—系數(shù)，底注式大型鑄鐵件快澆時，S的取值范圍為1.7～1.9，本文按1.8 取值；G—澆注總質(zhì)量7 500 kg；δ—鑄件平均壁厚25 mm，通過計算澆注時間為103 s.

按照式（2）對阻流截面進行計算：

式中：G—鑄件澆注總量，kg；H—壓頭高度，cm；μ—流量損耗系數(shù)；t—澆注時間，103 s.

通過計算并適當(dāng)將F阻放大，最終阻流截面積為64 cm2.整體澆注系統(tǒng)采用開放式澆注系統(tǒng)，各單元的橫截面積比值為1∶1.2∶1.4.

3.2 補縮系統(tǒng)的設(shè)計

床身鑄件壁厚差異較大，存大過多的熱節(jié)位置，因此需要設(shè)計冒口來對鑄件進行補縮。鑄件的收縮值是不確定的，不能根據(jù)合金的種類和牌號給出一個確定的收縮值來決定冒口的尺寸。其收縮不僅和成分、澆注溫度有關(guān)，還和鑄件的大小、結(jié)構(gòu)、壁厚、鑄型的種類有關(guān)。床身鑄件為灰鐵件，一方面可以設(shè)計冒口來補縮，另一方面也要充分利用石墨化膨脹自補縮，冒口只能起到補充自補不足的差額，為此鑄件的冒口沒必要非得晚于鑄件熱節(jié)點的凝固，也就是說冒口的模數(shù)也可以小于鑄件的模數(shù)。

床身鑄件熱節(jié)點主要分布在十字筋交叉處，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和個人經(jīng)驗，將十字交叉筋進行對比篩選，其中共有15 處為厚大位置需要冒口進行補縮。冒口的設(shè)置點應(yīng)稍為偏離十字交叉點熱節(jié)處，冒口類型為頂縮頸冒口。通過模數(shù)法進行計算冒口的直徑為150 mm，高度為250 mm，而冒口頸的直徑為80 mm，高度設(shè)計為60 mm.

圖2 長導(dǎo)軌機床床身芯撐結(jié)構(gòu)尺寸

另外考慮到砂芯均由鐵液包裹住，排氣不通暢容易造成嗆火和氣孔缺陷。因此，在鑄件的最頂端凸臺位置增加排氣通道，且排氣通道的截面積之和應(yīng)大于直澆道的截面積。

4 MAGMA 的凝固模擬

按照上述初步設(shè)計的工藝方案，對鑄件進行3D建模，利用MAGMA 模擬仿真軟件，對機床床身鑄件鑄造過程進行數(shù)值模擬分析。

圖3 為充型過程模型。從圖3 的充型來看，金屬液由直澆道進入鑄型，流經(jīng)橫澆道至內(nèi)澆口進入型腔，內(nèi)澆口設(shè)置于鑄件的兩端并順著導(dǎo)軌向中間匯聚，其余澆口也能在第一時間補充金屬液流，并逐層進行充填，直到型腔充滿，該過程未發(fā)生液流飛濺現(xiàn)象，均為平穩(wěn)流動，整個充型過程為112 s，未發(fā)現(xiàn)澆不足或冷隔現(xiàn)象。

圖4 為凝固過程模擬，結(jié)果表明，鑄件的凝固方式基本上為同時凝固，鑄件的導(dǎo)軌面與各加強筋片的凝固較快，中間部位凝固稍為緩慢，但最后凝固點在冒口，冒口也能充分發(fā)揮其作用，所以該工藝鑄件內(nèi)部縮松風(fēng)險比較小。

圖3 充型模擬過程

5 熔煉及澆注工藝的設(shè)計

5.1 化學(xué)成分的控制

由于該床身鑄件的牌號為HT300，為了提高抗拉強度及硬度，熔煉方面采用大比例廢鋼及回爐料，按實際情況加入10%～15%的生鐵。將CE 控制在3.45%～3.7%區(qū)間，盡可能的將CE 值控制于下限，這對減少鐵液的收縮是非常有利的。Mn 的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～0.8%，錳在灰鑄鐵中的加入量不能太高也不能過于低，太高會因鐵液中S 成分質(zhì)變?yōu)镸nS，片狀石墨會遭到損壞，反而造成了性能的下降；錳含量太低會使鐵液的氧化傾向增大，流動性變差，收縮傾向也會增加[2]。錳能起到更好的穩(wěn)定珠光體的作用，而且收縮性略小不容易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，且加工性能在此范圍內(nèi)也較為合適。

圖4 凝固收縮模擬過程

在合金化方面，客戶不允許加入Sb、Cr、Ni、Mo等合金元素，但為了進一步保證鑄件的力學(xué)性能，Cu 的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.7%～1.0%，并適當(dāng)加入了Sn 且控制在0.05%～0.07%范圍內(nèi)。最終化學(xué)成分的控制如表1 所示。

表1 機床床身件的化學(xué)成分控制表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

5.2 熔煉與澆注方案的確定

采用10 t 感應(yīng)電爐進行熔煉，熔煉重量為9 t.當(dāng)爐內(nèi)溫度達到1 450 ℃時，進行化學(xué)成分分析，分析方法為光譜法和碳硅儀，按照表1 的化學(xué)元素進行測定其含量，根據(jù)測定值對爐內(nèi)鐵液成分進行調(diào)整，并達到要求的化學(xué)成分。將鐵水升溫至1 500 ℃后靜置10 min～15 min.

用10 t 灰鐵包出鐵水，出爐溫度為1 440 ℃，出鐵時采用2 mm～5 mm 的鍶硅孕育劑對準(zhǔn)澆包口進行隨流孕育。用20 t 行車將澆包吊至澆注位置，并測量包內(nèi)鐵液溫度，當(dāng)達到1 360 ℃～1 380 ℃時，即可進行澆注，澆注的同時采用0.1%～0.15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋇硅孕育劑進行二次瞬時孕育。最終鑄件力學(xué)性能報告如表2 所示。

表2 力學(xué)性能報告

6 生產(chǎn)應(yīng)用

根據(jù)優(yōu)化的工藝方案進行首件鑄造生產(chǎn)，經(jīng)過MT、PT 探傷，鑄件質(zhì)量符合用戶的要求；力學(xué)性能、金相組織等檢測，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；首件尺寸驗證除床身體中間部位有小于5 mm 的撓度變形，且在加工余量范圍內(nèi)，鑄件生產(chǎn)的檢驗結(jié)果均滿足客戶的技術(shù)要求。目前此產(chǎn)品已實現(xiàn)批量訂貨市場，全部通過了歐洲用戶的驗收。