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機床床身鑄件的殘余應力研究

時間:2019-07-24 15:08 作者:東建鑄造 點擊: 次
高精度的數控機床是現代機床的重要標志,其高精度指零部件的加工精度及其穩定性高,這要求機床鑄件有較低的鑄造應力和良好的尺寸精度穩定性。但床身鑄件結構復雜,一般導軌較長,壁厚差較大,在凝固、冷卻過程中由于溫度場不均勻,容易產生熱應力、相變應力、組織應力等而導致變形,嚴重影響其尺寸精度及保持性。然而,近年來關于機床鑄件的殘余應力及尺寸穩定性的研究報道很少,因鑄件的殘余應力引起的變形甚至開裂成為鑄造行業的共性技術問題之一。
床身鑄件采用水平阻流設計,橫澆道內流體速度較大,末端延長段斜度較小,不能壓實流體,液體容易卷氣,導致氣體進入導管和型腔,且水平阻流導致紊流傾向增加,充型不平穩,排渣效果差,鑄件容易形成氣孔和夾渣,造成應力不平衡,在后續的加工中容易引起變形。
床身導軌的溫度場比其他部位大,且距離澆道越遠、壁厚越大處溫度越高,越容易產生熱應力;鑄件底部方孔附近和扁冒口位置溫度場都比較低,凝固速度較快,冒口基本不能起到補縮作用,只是起到排氣作用;鑄件上箱鐵液凝固較快,原因是方口位置和芯子接觸,熱傳導系數大,冷卻較快;而下箱床身導軌凝固較慢,且由于存在較大的壁厚差,溫度分布不均勻,凝固時間相差較大,容易產生相變應力和組織應力。
在澆道上出現縮松缺陷,但不影響鑄件的質量;床身的橫導軌、豎導軌、節點等溫差較大之處也出現縮松,容易引起收縮應力,可通過放置冷鐵使鑄件實現順序凝固或利用內澆道的補縮作用加以減小、消除。床身的橫導軌有明顯的彎曲變形,導軌根部受到的拉應力比較大,約160~180MPa,應力集中也比較大,需要后續的組合時效處理來消除;導軌面上受壓應力,約-70~180MPa;豎導軌較短,應力相對較小,拉應力約14~26MPa,壓應力約-27~52MPa,因此變形也較小。
受床身鑄件結構的影響,所測位置的殘余應力多為壓應力,測量值基本都在數值模擬所預測的范圍之內;床身鑄件在200℃和500℃下打箱后的較大殘余應力分別為-95.7MPa和-172.9MPa,后者明顯比前者大,較低的打箱溫度有利于減小鑄件的殘余應力;球鐵滑枕鑄件粗加工前的較大殘余應力為-65.5MPa(比灰鑄鐵床身鑄件小),由于機械加工容易產生機械應力,粗加工后的較大殘余應力為-156.5MPa,明顯增大。
超長床身的鑄造一般采用地坑造型,其工藝設計及過程控制需要注意以下幾個方面:
1)收縮率的控制
床身的收縮率一般長度方向取1.0%,寬度方向取0.8,高度方向取0.5%,考慮到脹箱等因素,寬度方向可以不留縮尺,甚至可以考慮將模樣尺寸人為減小,以保證鑄件的凈尺寸在出件后符合要求。
2)留反變形量
根據鑄件導軌的長度不等,導軌面上需要留凸起的反變形量5~25mm。當床身長度小于五米時,每一米鑄件留1~2mm反變形量,當床身長度大于五米時,每一米鑄件留反變形量1.5~2.5mm。有些床身的結構由于很不均勻,可能還會出現側方向的彎曲,因此也需要在導軌側面甚至整個床身側面上都要留反變形量。
3)加工余量的預留
為了保證超長床身余量足夠,一般在反變形量的基礎上還需要再留一定的加工余量,加工余量不宜太大,不然加工完后導軌面會出現硬度不夠的狀況,一般留10一20mm。
4)澆注系統的設計
床身的澆注方式都是把導軌放在下面,鐵水從床身兩端由導軌長度方向進入,長度特別長的床身導軌可以采用底返雨淋澆注系統,采用這種方式可以保證鐵水的流程不會太長,能有效防止出現砂眼、疏松、氣孔、裂紋等鑄造缺陷,保證床身的導軌上不存在影響床身使用性能的氣孔、砂眼等鑄造缺陷。
5)冒口的設計
床身的冒口形式以采用耳冒口居多,在厚大的部位要用冷鐵進行包敷,為防止形成接觸熱節,冒口的放置位置還應避開厚大的部位。
6)模板的設計
長度較長床身的模板可做成2至3段,每段之間采用用燕尾銷來連接。如果不用外模純粹用砂芯組合起來的話,需要人為的將形成外型的砂芯分成幾段,以便于制芯、下芯操作的方便。
超長床身的鑄造要充分考慮零件的結構特點,合理的選取各種工藝參數,正確調整鐵水的配方并保證鐵水的溫度,這樣就可以將床身成功的鑄造出來。
4結論
(1)水平阻流設計充型不平穩、有紊流傾向、容易卷氣、不利于排渣,可采用去除阻流片設計優化澆注系統。
(2)床身鑄件溫度場分布不均勻,上箱凝固比下箱快,床身導軌及節點處容易產生熱應力、相變應力、組織應力,鑄件上出現縮松缺陷也易引起收縮應力。
(3)床身橫導軌有較大的殘余應力:拉應力160~180MPa,壓應力-70~-180MPa;豎導軌的殘余應力相對較小:拉應力14~26MPa,壓應力-27~-52MPa;床身在長度方向變形量較大,在寬度和高度方向的變形量較小,沒有發生撓曲變形。
(4)盲孔法測量的殘余應力結果與數值模擬基本相符,灰鑄鐵件的殘余應力比球墨鑄鐵件大,較低的打箱溫度有利于減小殘余應力,而粗加工容易增大殘余應力。
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