機(jī)床立柱的鑄造工藝設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化

馬煜林, 楊青政, 羅壽飛, 謝 湖, 趙志立, 趙 林

(1. 沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044; 2. 中國(guó)科學(xué)院 金屬研究所, 遼寧 沈陽 110016)

立柱是機(jī)床重要的結(jié)構(gòu)件,起著機(jī)床上下運(yùn)動(dòng)及支撐作用[1-2].機(jī)床立柱在加工過程中的振動(dòng)過大,無論是強(qiáng)迫振動(dòng)還是自激振動(dòng),都會(huì)降低機(jī)床立柱加工的精度和表面質(zhì)量,影響機(jī)床加工精度和能力的發(fā)揮[3].因此,制造出質(zhì)量合格的立柱產(chǎn)品是生產(chǎn)高精度機(jī)床的基本要求.機(jī)床立柱選用的材料是HT250[4-5],灰鑄鐵件的耐磨性、耐熱性、減震性都比較好,大多數(shù)機(jī)床類零件都是這種材質(zhì).機(jī)床立柱的主要壁厚比較薄,但部分部位厚度比較厚,在鑄造的過程中容易出現(xiàn)鑄造缺陷.ProCAST[6-8]是法國(guó)ESL公司開發(fā)的數(shù)值模擬軟件,提供了眾多模塊和工具來滿足鑄造工業(yè)多方面的需求,具有較高的集成性,是市面上主流的有限元分析軟件.本文通過數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)立柱的鑄造工藝方案進(jìn)行模擬,預(yù)測(cè)鑄造過程中出現(xiàn)的缺陷,根據(jù)出現(xiàn)的缺陷對(duì)工藝方案進(jìn)行優(yōu)化,從而得出最優(yōu)的工藝方案,為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供參考.

1 方 法

本文以機(jī)床立柱為研究對(duì)象,材質(zhì)為HT250,各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示.立柱的輪廓尺寸為650 mm×420 mm×1 295 mm,立柱為空心結(jié)構(gòu),內(nèi)有一層口字型筋板連接,厚度為12 mm,根據(jù)建模軟件,計(jì)算機(jī)床立柱鑄件凈重341 kg.該立柱的主要壁厚為12 mm,局部壁厚比較厚,最厚的壁厚為105 mm.方案采用封閉式底注式澆注系統(tǒng)[9-10],初步鑄造工藝方案為設(shè)置2個(gè)內(nèi)澆道、1個(gè)橫澆道和1個(gè)直澆道,澆口比為∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1.4∶1.2∶1.0,其中∑F為澆口總橫截面積.根據(jù)奧贊公式[11-12]計(jì)算出澆注系統(tǒng)的尺寸,其中內(nèi)澆道邊長(zhǎng)為45.5 mm,橫澆道是上底為32 mm、下底為46 mm、高為50 mm的梯形,直澆道是直徑為55 mm的圓筒.初步鑄造工藝如圖1所示.

表1 機(jī)床立柱各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of each component of machine tool column %

圖1 初步鑄造工藝Fig.1 Preliminary casting process plan

采用ProCAST 2016軟件對(duì)機(jī)床立柱的鑄造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬,ProCAST模擬步驟如下.

1) 將機(jī)床立柱模型導(dǎo)入Mesh CAST界面[13]進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分網(wǎng)格的尺寸大小按照鑄件最薄處厚度的1/3來計(jì)算.

2) 在 ProCAST前置處理中設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件、初始條件等,具體參數(shù)如下.

① 鑄件的材質(zhì)選擇HT250;砂型材料選擇呋喃樹脂砂.

② 設(shè)定界面交換系數(shù):冷鐵與鑄件之間為3 000 W·(m2·K)-1,冷鐵與砂型之間為500 W·(m2·K)-1;鑄件與砂型之間為500 W·(m2·K)-1.

③ 初始模擬設(shè)定:澆注時(shí)間t為33 s,澆注溫度為1 340 ℃,表面散熱條件為空冷.

2 結(jié)果與討論

2.1 初始方案模擬結(jié)果分析

根據(jù)初始工藝方案進(jìn)行機(jī)床立柱的充型場(chǎng)和鑄件的溫度分布模擬,結(jié)果如圖2所示.根據(jù)模擬的溫度場(chǎng)結(jié)果分析,采用底注式澆注系統(tǒng)充型比較平穩(wěn),在t=33 s時(shí)將鑄件充滿,充型完成后鑄件開始冷卻.圖2中t=89 s時(shí)的溫度分布結(jié)果表明,鑄件存在熱節(jié)部位,導(dǎo)致鑄件不能實(shí)現(xiàn)順序凝固,熱節(jié)部位不能及時(shí)得到金屬液的補(bǔ)縮,在鑄件內(nèi)部會(huì)形成縮松、縮孔等鑄造缺陷.由于鑄件的主要壁厚比較薄且位于鑄件的最高處,隨著溫度的不斷降低,金屬液冷卻收縮會(huì)造成頂部的塌陷,形成缺陷.

(a) t=15s(b) t=25s(c) t=33s(d) t=89s

2.2 一次優(yōu)化方案模擬結(jié)果分析

根據(jù)初始方案模擬的結(jié)果提出了一次優(yōu)化方案:在鑄件出現(xiàn)熱節(jié)的部位放置冷鐵以降低鑄件的局部溫度;由于鑄件的內(nèi)部補(bǔ)縮量不夠,在鑄件的頂部設(shè)置2個(gè)壓邊明頂冒口對(duì)鑄件進(jìn)行外部補(bǔ)縮.一次優(yōu)化方案的充型場(chǎng)模擬結(jié)果如圖3所示,溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖4所示.

(a) 充型13s(b) 充型19s(c) 充型30s(d) 充型完成

(a) 凝固時(shí)間200s(b) 凝固時(shí)間600s(c) 凝固時(shí)間1200s(d) 凝固時(shí)間5000s

圖3的一次優(yōu)化方案的充型場(chǎng)模擬結(jié)果顯示了充型時(shí)間為13、19、30 s和充型完成時(shí)的鑄件各個(gè)部位溫度場(chǎng)分布情況.一次優(yōu)化方案采用封閉式澆注系統(tǒng),直澆道直徑>橫澆道直徑>內(nèi)澆道直徑.充型開始后由于直澆道的直徑比較大,被金屬液迅速充滿,防止金屬液將氣體帶入型腔中.由于橫澆道設(shè)計(jì)有緩沖端,金屬液通過內(nèi)澆道進(jìn)入型腔的速度比較低,有效地減小了金屬液對(duì)砂型的沖擊,可以有效地避免夾砂、氧化等鑄造缺陷.

圖4的一次優(yōu)化方案的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果顯示,凝固時(shí)間為200 s時(shí),立柱的整體溫度都比較高,金屬液大部分處于液體的狀態(tài).一次優(yōu)化方案中在機(jī)床的導(dǎo)軌面上放置了6塊厚度為28 mm的板條型冷鐵,在立柱最厚的部位分別放置了4塊厚度為100 mm的板條型冷鐵.凝固時(shí)間為600 s時(shí),由于鑄型和設(shè)置冷鐵的激冷作用,放置冷鐵的部位溫度下降比較快,消除了鑄件厚大部位的熱節(jié),使導(dǎo)軌內(nèi)部能夠及時(shí)得到補(bǔ)縮,形成致密的組織,保證了鑄件重要部位的質(zhì)量.凝固時(shí)間為1 200 s時(shí),立柱的溫度分布呈現(xiàn)出從上到下、從左至右的順序凝固,收縮方向是向著冒口的方向,此時(shí)冒口的溫度仍然比鑄件其他部位的溫度高,能夠保證冒口最后凝固,從而達(dá)到補(bǔ)縮鑄件的效果.當(dāng)凝固時(shí)間為5 000 s時(shí),內(nèi)部金屬液補(bǔ)縮和冒口的補(bǔ)縮都已經(jīng)停止,從圖中可以明顯地看出在靠近內(nèi)澆道底座處的溫度高于它周圍部分的溫度,既得不到周圍金屬液對(duì)它的補(bǔ)縮,也得不到冒口的補(bǔ)縮,此處極可能產(chǎn)生縮松、縮孔的缺陷.

一次優(yōu)化方案的缺陷如圖5所示,機(jī)床立柱仍然存在縮松、縮孔缺陷,主要原因是鑄件中仍然存在著熱節(jié)部位,由于補(bǔ)縮通道先于熱節(jié)部位凝固,所以熱節(jié)部位不能及時(shí)得到金屬液的補(bǔ)縮,需要在熱節(jié)部位放置冷鐵來降低鑄件的局部溫度.對(duì)凝固場(chǎng)的分析結(jié)果表明,在放置冷鐵的部位,鑄件的內(nèi)部不存在孤立的液相區(qū),也就是說冷鐵消除了鑄件的熱節(jié),因?yàn)殍T件內(nèi)部沒有孤立的液相區(qū)存在,所以鑄件內(nèi)部就不會(huì)出現(xiàn)縮松、縮孔等鑄造缺陷.由于立柱的底座厚度較厚而且內(nèi)澆口開設(shè)在底座上,在進(jìn)行澆注時(shí)會(huì)形成熱節(jié),通過切片可以看到形成熱節(jié)部位,所以在立柱的底座上形成了孤立的液相區(qū),在鑄件基本凝固完成的時(shí)候,鑄件中仍然存在孤立的液相區(qū),此時(shí)孤立的液相區(qū)得不到其他區(qū)域金屬液對(duì)它的補(bǔ)縮,所以在底座的孤立相區(qū)的部位就會(huì)出現(xiàn)縮松、縮孔的鑄造缺陷.結(jié)合溫度場(chǎng)和凝固場(chǎng)的分析,鑄件的上表面沒有出現(xiàn)縮松、縮孔的缺陷,表明2個(gè)明頂冒口可以滿足對(duì)鑄件補(bǔ)縮的要求.

圖5 一次優(yōu)化工藝的缺陷Fig.5 Defect analysis of the first optimization plan

通過對(duì)機(jī)床立柱出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷的主要原因進(jìn)行分析,確定鑄件中仍然存在熱節(jié)部位,需要在熱節(jié)部位放置冷鐵來降低鑄件的局部溫度.結(jié)合鑄件凝固過程中的溫度分布情況,在立柱導(dǎo)軌最頂端放置的6塊冷鐵激冷效果明顯,導(dǎo)軌內(nèi)部有孤立的液相區(qū)存在,需要在導(dǎo)軌面上增加冷鐵的數(shù)量來消除導(dǎo)軌處厚大部分的熱節(jié).

2.3 二次優(yōu)化方案模擬結(jié)果分析

二次優(yōu)化方案中澆注系統(tǒng)的類型和澆注系統(tǒng)的尺寸都保持不變,冒口的位置和大小保持不變,在立柱底座的兩邊增加2塊厚度為60 mm的冷鐵,在2條導(dǎo)軌的側(cè)面分別增加4塊厚度為28 mm的冷鐵來消除導(dǎo)軌內(nèi)部的熱節(jié).將導(dǎo)軌頂端冷鐵數(shù)量減少到4塊,厚度為100 mm,并放置在導(dǎo)軌的最頂端.改進(jìn)后的工藝如圖6所示.

圖6 二次優(yōu)化工藝Fig.6 The second process optimization plan

將二次工藝優(yōu)化方案通過ProCAST軟件進(jìn)行模擬,軟件前置處理的參數(shù)與初始方案的參數(shù)一致.軟件對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行模擬,通過模擬結(jié)果來分析鑄件的縮松、縮孔等缺陷.通過做鑄件凝固場(chǎng)的切片來檢查上文分析的出現(xiàn)孤立相區(qū)的位置是否還存在液相區(qū),結(jié)果如圖7所示.

圖7 二次優(yōu)化工藝的缺陷Fig.7 Defect analysis of the second optimization plan

圖7的切片顯示,在一次優(yōu)化工藝中出現(xiàn)的孤立相區(qū)經(jīng)過方案的優(yōu)化已經(jīng)被消除,冒口較鑄件的凝固時(shí)間長(zhǎng),達(dá)到了對(duì)鑄件補(bǔ)縮的效果.根據(jù)模擬軟件顯示的結(jié)果,鑄件的缺陷明顯減少,鑄件的主要部位幾乎沒有缺陷,在鑄件的其他部位存在著少量的縮松、縮孔缺陷.由于鑄件的加工面比較多,少量的缺陷可以通過適當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)械加工余量的方法來消除.經(jīng)過二次優(yōu)化后的工藝可以作為最優(yōu)方案應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn).二次優(yōu)化工藝方案的鑄件毛重為455 kg,其中加工余量和澆注系統(tǒng)共重114 kg,工藝出品率約為75%,符合工藝要求.

2.4 工裝設(shè)計(jì)

砂箱材料采用成本低、制造方便、強(qiáng)度與剛度均較高的鑄鐵.本次工藝設(shè)計(jì)采用2箱造型,根據(jù)鑄件的尺寸,上砂箱內(nèi)框尺寸為1 895 mm×950 mm×225 mm,下砂箱的最大內(nèi)框尺寸為1 895 mm×950 mm×415 mm.本次鑄造工藝設(shè)計(jì)一共設(shè)計(jì)3個(gè)砂芯,砂芯形狀如圖8所示.

(a) 1#芯(b) 2#芯(c) 3#芯

1#砂芯的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,本次工藝設(shè)計(jì)通過組芯的方法來制作,將1#砂芯拆分成2個(gè)砂芯,截面為三角形的作為一個(gè)砂芯,通過上下芯盒制作,剩余的部分作為另一個(gè)砂芯,通過組合拆分的方法進(jìn)行制作.2#、3#砂芯可以通過上下芯盒直接造出.

鑄件在冷卻過程中,由于各部位冷卻速度不同造成收縮不一致,形成內(nèi)應(yīng)力,這種內(nèi)應(yīng)力能通過鑄件的變形得到緩解,但這一過程一般是較緩慢的.因此,鑄件在形成后都需要進(jìn)行去應(yīng)力熱處理[14].本次采用退火處理,其過程為鑄件加熱到530～620 ℃,保溫2～6 h,爐內(nèi)緩慢冷卻至200 ℃以下出爐空冷.

3 結(jié) 論

本文采用ProCAST數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)機(jī)床立柱的鑄造工藝進(jìn)行模擬.根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析,并有針對(duì)性地提出工藝優(yōu)化方案,最終得到無缺陷的鑄造工藝方案,得出以下結(jié)論.

1) 機(jī)床立柱的底座和導(dǎo)軌內(nèi)部存在孤立的液相區(qū),縮松、縮孔缺陷比較嚴(yán)重.

2) 通過放置冷鐵和增加冒口來消除孤立的相區(qū),消除內(nèi)部的缺陷.

3) 最優(yōu)工藝的模擬結(jié)果顯示,鑄件的缺陷明顯減少,按照最優(yōu)方案進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn),生產(chǎn)出來的機(jī)床立柱可以滿足質(zhì)量要求.

4) 獲得機(jī)床立柱最優(yōu)工藝:①鑄件的凈重為341 kg,毛重為455 kg;②造型方法為手工造型,2箱造型;③造型材料為呋喃樹脂硬砂;④分型面設(shè)計(jì)為水平分型;⑤澆注系統(tǒng)為封閉式,∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1.4∶1.2∶1.0;⑥澆注時(shí)間為33 s;⑦打箱時(shí)間為10 h;⑧澆注溫度為(1 340±10) ℃;⑨工藝出品率為75%.

致謝本文所述機(jī)床立柱的鑄造工藝設(shè)計(jì)為“永冠杯”第十一屆全國(guó)大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽優(yōu)秀獎(jiǎng)作品,感謝大賽的主辦方中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).