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大型机床铸件的结构影响及保温时间问题

时间:2019-03-31 16:22 作者:东建铸造 点击: 次
目前我国在汽车、航空、铁路、国防等重要领域所需的高档数控机床长期依赖进口,机床的加工精度及精度保持性差是挡不住进口的重要原因之一;铸铁床身是机床的关键基础部件,其尺寸精度及精度保持性是影响机床加工精度及精度保持性的关键。因此,研制出高精度保持性的床身对进一步提高国产数控精密机床的产品质量和竞争力具有重要意义。床身铸件的刚度(包括铸件材质刚度、结构刚度)和残余应力是影响床身精度保持性的重要因素,本研究根据床身的结构特征,设计薄、厚两种不同结构尺寸的T型床身导轨试样代表床身铸件。在相同的熔炼条件下浇注具有不同碳当量与合金化的灰铸铁和球墨铸铁试样,并进行不同的热时效处理,测量试样的残余应力和直线度及直线度随时间的变化量,研究碳当量、残余应力、材质刚度和结构刚度等对T型床身导轨试样精度及精度保持性的影响。为优化床身结构、提高铸件刚度、降低残余应力,从而提高铸件的抗变形能力、提高床身的精度及精度保持性提供理论依据。
随着重型工业的发展,重型、超重型机床的需求量快速增加,大型、超大型机床铸件也就应运而生。过去50t左右,一个重型机床的横梁、工作台要分几段来完成,这样不但加重机床的质量,增加加工和装配费用,而且几段铸件的组织和性能不能达到完全一致,机床质量得不到保证。机床横梁铸件长度达到20.5m,铸件毛坯质量146t,这种长度很长的铸件。在机床铸件材料铸造性能较好、铸件本身几乎没有铸造缺陷的情况下,有时会由于其挠曲变形量大于加工量而使铸件报废,因此,研究其挠曲变形的影响因素就有非常重要的意义。
1铸件结构的影响
由于铸件的壁厚不均等原因,造成铸件各部分凝固、冷却速度不同,引起收缩不一致,会使铸铁产生挠曲变形,这是影响铸件变形的主要因素。根据生产经验,5m以下铸件的变形可以忽略,通过加工量就可以解决;而对于5m以上铸件,需要分析铸件结构来预估其变形量。首先要考虑的是铸件的长度、宽度和高度的大小,平板类铸件的变形量要大于箱体结构铸件的变形量,具体的数值要根据壁厚和筋板的分布来预估;其次是壁厚的差异,如果铸件厚大部分和薄壁部分的数值差距太大,相对而言变形自然就会大,这时有些铸件可以通过铸造工艺来调整,有些只能通过反变形量来调整。
横梁、床身、工作台类铸件,无论是球墨铸铁还是灰铸铁,变形量都较大。铸件长度为5~6m时,其变形量约为1一1.2mm/m;铸件长度为7一8m时,其变形量约为1.5一1.8mm/m;铸件长度为8一10m时,其变形量约为Zmm/m;铸件长度大于10m时,一般要采用二次挠度,二次挠度的数值要比一次挠度略大,因为铸件的变形是近似抛物线状的,离变形的中心越远,弧线的斜度越大。立柱类铸件因为其高度较高,基本都在2m以上,而宽度较小,属于又窄又高的结构,即使长度较大,此类铸件基本上也不会变形;箱体类结构因为各方向的壁厚较均匀,收缩也较均匀,铸件基本不变形。
2化学成分的影响
不同牌号的铸铁件由于组织、成分的差异,其抵抗变形的能力也不同。灰铸铁石墨呈片状,在基体中起到割裂基体的作用。低牌号灰铸铁量高,金相组织为铁素体和粗大的片状石墨,抗拉强度和硬度较低,抵抗变形的能力较差;高牌号灰铸铁量低,金相组织为珠光体和细小的片状石墨,抗拉强度和硬度较高,抵抗变形的能力相对较好;而球墨铸铁虽然量高,但主要以球状石墨形式存在,铸件有高的力学性能,抵抗变形的能力较好。灰铸铁的凝固方式是顺序凝固,先凝固部分凝固时产生收缩,而未凝固部分尚处于液态,变形比较容易;球墨铸铁的凝固方式是糊状凝固,在凝固的过程中,整个铸件同时凝固,由于壁厚及冷却条件的差异,收缩系数不一致,因而产生的收缩量也不一致,产生变形时相互阻碍,铸件的变形量较小,应力较大。同一个长度为9750mm的横梁,灰铸铁的变形量比球墨铸铁的变形量大8~10mm。
3冷却速度的影响
同一个铸件在砂箱中造型和在地坑中造型其变形量也不相同。一般情况下,铸件的导轨比较厚大又比较重要,需要放在下箱。砂箱造型时,上、下表面吃砂量大致相同,上、下箱都与外界接触,散热条件基本一致,厚大的导轨会凝固的稍慢一些,铸件会产生较小的变形;而地坑造型时,上表面散热较好,下面吃砂量较大,且不与空气接触,热量都要从上面及侧面树脂砂散出,冷却条件较差,而与铸件接触的树脂砂长时间经过高温铸件的烘烤已溃散,阻碍变形的能力已减小,致使铸件变形量较大。长度为6.7m的床身,在其它条件都一致的情况下,只是造型方法不同,地坑造型的变形量比砂箱造型的变形量大7一8mm。
4保温时间和铸件摆放的影响
保温时间是影响铸件变形的外部因素中较重要的因素。如果保温时间不够,在吊运或是放置的过程中铸件就会变形。这是因为铸件的热强度较低,如果吊运或是支撑的是铸件的两端面,在自身重力的作用下,铸件会在原来变形的基础上加大变形量;如果吊运或是支撑的是铸件的两侧面,或是铸件的中间部分,则铸件的两端会在重力的作用下下沉,修正原来的变形。另外,铸件在继续冷却的过程中不再有砂子保温,下表面的散热条件也变得较好,凝固相对较均匀,变形较小。
铸件的变形受多个因素的影响,除以上列出的4个因素外,还受工作环境、激冷条件等多方面的影响,在实际生产中应综合考虑。铸件的结构和材料是铸件挠曲变形的较主要影响因素,也是铸造工作者不能改变的部分,所以,在实际生产中,应根据铸件的材料和结构,采取适当的造型方法、适当的保温时间和铸件摆放方式等措施来控制铸件变形,减少铸件因变形而报废的几率。
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