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大型铸件的结构影响及铸造方法

时间:2019-07-04 16:38 作者:东建铸造 点击: 次
高精度的数控机床是现代机床的重要标志,其高精度指零部件的加工精度及其稳定性高,这要求机床铸件有较低的铸造应力和良好的尺寸精度稳定性。但床身铸件结构复杂,一般导轨较长,壁厚差较大,在凝固、冷却过程中由于温度场不均匀,容易产生热应力、相变应力、组织应力等而导致变形,严重影响其尺寸精度及保持性。然而,近年来关于机床铸件的残余应力及尺寸稳定性的研究报道很少,因铸件的残余应力引起的变形甚至开裂成为铸造行业的共性技术问题之一。
床身导轨的温度场比其他部位大,且距离浇道越远、壁厚越大处温度越高,越容易产生热应力;铸件底部方孔附近和扁冒口位置温度场都比较低,凝固速度较快,冒口基本不能起到补缩作用,只是起到排气作用;铸件上箱铁液凝固较快,原因是方口位置和芯子接触,热传导系数大,冷却较快;而下箱床身导轨凝固较慢,且由于存在较大的壁厚差,温度分布不均匀,凝固时间相差较大,容易产生相变应力和组织应力。
在浇道上出现缩松缺陷,但不影响铸件的质量;床身的横导轨、竖导轨、节点等温差较大之处也出现缩松,容易引起收缩应力,可通过放置冷铁使铸件实现顺序凝固或利用内浇道的补缩作用加以减小、消除。床身的横导轨有明显的弯曲变形,导轨根部受到的拉应力比较大,约160~180MPa,应力集中也比较大,需要后续的组合时效处理来消除;导轨面上受压应力,约-70~-180MPa;竖导轨较短,应力相对较小,拉应力约14~26MPa,压应力约-27~-52MPa,因此变形也较小。
受床身铸件结构的影响,所测位置的残余应力多为压应力,测量值基本都在数值模拟所预测的范围之内;床身铸件在200℃和500℃下打箱后的较大残余应力分别为-95.7MPa和-172.9MPa,后者明显比前者大,较低的打箱温度有利于减小铸件的残余应力;球铁滑枕铸件粗加工前的较大残余应力为一65.5MPa(比灰铸铁床身铸件小),由于机械加工容易产生机械应力,粗加工后的较大残余应力为-156.5MPa,明显增大。
大型铸件的铸造方法常用的是砂型铸造,其次是特种铸造方法,如:金属型铸造、熔模铸造、石膏型铸造等。而砂型铸造又可以分为粘土砂型、有机粘结剂砂型、树脂自硬砂型、消失模等等。
大型铸件优先采用砂型铸造,主要原因是砂型铸造较之其它铸造方法成本低、生产工艺简单、生产周期短。当湿型不能满足要求时再考虑使用粘土砂表干砂型、干砂型或其它砂型。粘土湿型砂铸造的铸件重量可从几公斤直到几十公斤,而粘土干型生产的铸件可重达几十吨。 铸造方法应和生产批量相适应,低压铸造、压铸、离心铸造等铸造方法,因设备和模具的价格昂贵,所以只适合批量生产,大型铸件可以单件铸造也可批量生产。
大型铸件浇注时位置的选择对铸件质量、造型方法、砂箱尺寸、铸铁平板,铸铁平台加工余量等都有着很大的影响。所以在选定浇注位置时应以保证铸件质量为主,一般应注意下面的几个原则:对于具有大面积的薄壁部分放在铸型的下部,同时尽量使薄壁立着或倾斜着浇注,这样有利于金属的充填。由于泥芯较长,刚度不够,在金属液的浮力作用下,泥芯产生如图虚线所示的弯曲变形。若改为立浇,就可以避免上述不良情况的产生。它将大型铸件大面积的薄壁部分放在铸件的下面,使这部分能在较高的金属液压力下充满铸型,防止浇不足。对于一些需要补缩的铸件,应把截面较厚的部分放在铸型的上部或侧面。
机床铸件多为床身使用,它的结构简单,工艺性能好,便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度,一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但是水平床身由于下部空间小,故排屑困难。从结构尺寸上看,刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长,从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。
  水平床身配上倾斜放置的滑板,并配置倾斜式导轨防护罩,这种机床铸件布局形式一方面有水平床身工艺性好的特点,另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小,且排屑方便。
结论
(1)水平阻流设计充型不平稳、有紊流倾向、容易卷气、不利于排渣,可采用去除阻流片设计优化浇注系统。
(2)床身铸件温度场分布不均匀,上箱凝固比下箱快,床身导轨及节点处容易产生热应力、相变应力、组织应力,铸件上出现缩松缺陷也易引起收缩应力。
(3)床身横导轨有较大的残余应力:拉应力160180MPa,压应力一70~一180MPa;竖导轨的残余应力相对较小:拉应力14~26MPa,压应力-27~52MPa;床身在长度方向变形量较大,在宽度和高度方向的变形量较小,没有发生挠曲变形。
(4)盲孔法测量的残余应力结果与数值模拟基本相符,灰铸铁件的残余应力比球墨铸铁件大,较低的打箱温度有利于减小残余应力,而粗加工容易增大残余应力。
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