目前大型機(jī)床包括車床、銑床、刨床、磨床、數(shù)控機(jī)床等各類機(jī)床床身鑄件的壁厚一般在20～40mm,屬于中厚壁鑄件,重量一般在5～50t,材質(zhì)為HT250或HT300。該類鑄件的特點(diǎn)是導(dǎo)軌較長(zhǎng),一般在幾米甚至十幾米,非常容易產(chǎn)生彎曲變形,且導(dǎo)軌非常厚大,一般在40～100mm,導(dǎo)軌容易產(chǎn)生組織缺陷,特別是10m長(zhǎng)的導(dǎo)軌要_無(wú)_氣孔砂眼也是較困難的。該類鑄件往往是單件小批量生產(chǎn),沒(méi)有現(xiàn)成的工裝砂箱,投資較大,特別是數(shù)控機(jī)床床身,結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜,在模樣制作、砂芯緊固、等造型操作方面存在較大難度;其材質(zhì)要求具有良好的精度穩(wěn)定性、抗壓強(qiáng)度和減震性,良好的切削性能和鑄造性能,其硬度要求180～241HB,硬度差△HB≤35[1],有些采用淬火硬化的機(jī)床導(dǎo)軌要求HT300以上牌號(hào),易產(chǎn)生組織疏松、硬度低、硬質(zhì)點(diǎn)及淬火效果差等缺陷,一旦因?yàn)檫@些問(wèn)題導(dǎo)致鑄件報(bào)廢,損失非常慘重,因此很有必要進(jìn)行專門(mén)研究。
1造型工藝
1.1造型方法的選擇
首先要生產(chǎn)該類件需有專用工裝,一般鑄造廠無(wú)此專用工裝,而且該類件往往都是定單制作,批量不大,沒(méi)有規(guī)模效益。所以要生產(chǎn)該類件所投工裝砂箱費(fèi)用比鑄件的價(jià)值還要大,一旦導(dǎo)軌等重要部位出現(xiàn)重大缺陷造成廢品,那損失更是不可估量。因此鑄造廠做此類鑄件有時(shí)得不償失,而且10m多長(zhǎng)的鑄件需要10m多長(zhǎng)的砂箱,對(duì)整鑄式砂箱的強(qiáng)度和剛度要求也相當(dāng)高,如果在吊裝過(guò)程中發(fā)生折斷砂箱的情況,造成人員傷亡,那更是雪上加霜。因此如何生產(chǎn)此類鑄件,非常值得探討。一般廠家采用地坑造型,但對(duì)于緊張的造型面積,地坑造型不是很合適,而采用簡(jiǎn)易的組箱組芯法較好地解決了這一問(wèn)題,它可以有效利用車間面積。
1.2組箱組芯法簡(jiǎn)介
該工藝區(qū)別于傳統(tǒng)的組箱組芯法（劈模造型）。傳統(tǒng)的劈模造型是將模樣根據(jù)各個(gè)面的形狀分成幾部分,然后將這幾部分固定在模板上,再用砂箱舂箱,舂完箱再將各面砂箱組起來(lái),用螺栓緊固好,空腔用砂芯組合。而新型組箱組芯法不用外模樣,不用模板,直接將分段砂箱組合起來(lái),在組合好后的砂箱內(nèi)用砂芯直接組出鑄件結(jié)構(gòu)形狀。采用組箱組芯法制作專用工裝,鑄件結(jié)構(gòu)形狀全部用砂芯組合,重點(diǎn)要解決好砂箱組合起來(lái)的剛度問(wèn)題,所以_用螺栓連接,這是該件能夠投產(chǎn)的前提條件。對(duì)于分成若干段的總共長(zhǎng)達(dá)十幾米的砂
箱,重點(diǎn)_砂箱的強(qiáng)度和剛度的連續(xù)性,要求混砂速度快,舂砂也要跟上出砂的節(jié)奏,否則易出現(xiàn)砂型隔層裂紋等缺陷。
1.3該工藝的優(yōu)缺點(diǎn)
該工藝把砂箱做成不同規(guī)格（ 1m、1.5m、2m、3m等）不同數(shù)量的幾段,然后拼湊起各種長(zhǎng)度和寬度不同的砂箱框,各段砂箱間用螺栓聯(lián)結(jié),滿足不同長(zhǎng)度和寬度的鑄件需求,通用性強(qiáng),一套工裝可滿足幾種鑄件的生產(chǎn),工裝費(fèi)用大大降低,適用范圍廣,且操作方便,對(duì)砂箱的尺寸精度要求低。該工藝將長(zhǎng)達(dá)十幾米的砂箱分成幾段,減小每塊砂箱的重量和尺寸大小,降低在行車吊裝過(guò)程的危險(xiǎn)性,可成功地避免這方面的安全事故,因?yàn)樵?jīng)發(fā)生幾米長(zhǎng)的砂箱在吊裝過(guò)程中折斷而發(fā)生危險(xiǎn)的事情。表1是組箱組芯法與傳統(tǒng)方法的比較。該方法缺點(diǎn)是要求操作人員的素質(zhì)較高,操作過(guò)程尺寸精度的控制很大程度上依賴于操作人員的把握。
表1.組箱組芯法與傳統(tǒng)方法的比較
造型方法 | 傳統(tǒng)方法 | 組箱組芯 |
模樣芯盒 | 外模芯盒都做 | 只做芯盒 |
模板 | 需做模板 | 不需模板 |
砂箱 | 性強(qiáng) | 通用互換性強(qiáng) |
經(jīng)濟(jì)性 | 工裝費(fèi)用高 | 降低工裝費(fèi)用 |
安全性 | 不安全 | 安全性好 |
操作性 | 較復(fù)雜 | 操作簡(jiǎn)便 |
適用性 | 使用專一 | 使用范圍廣 |
精度 | 要求高（需要加工） | 低（不需加工） |
2工藝設(shè)計(jì)及過(guò)程控制
2.1反變形量
導(dǎo)軌面上留凸起的反變形量5～25mm不等,根據(jù)導(dǎo)軌長(zhǎng)度確定:床身長(zhǎng)度<5m,每1m鑄件留1～2mm反變形量;床身長(zhǎng)度>5m,每1m鑄件留反變形量1.5～2.5mm;地腳面也要隨形做出反變形量;有些結(jié)構(gòu)很不均勻的床身,可能還會(huì)出現(xiàn)側(cè)彎曲,這樣也當(dāng)需要在導(dǎo)軌側(cè)面甚至整個(gè)床身側(cè)面都要留反變形量。
2.2加工余量
一般在反變形量基礎(chǔ)上再留10～20mm加工余量,余量也不用太大,否則加工完后會(huì)出現(xiàn)硬度不夠的現(xiàn)象。
2.3收縮率
一般長(zhǎng)度方向取1.0%,寬度方向取0.8%,高度方向取0.5%?？紤]脹箱等因素,寬度方向可不留縮尺,甚至考慮將模樣尺寸人為減小,以_出件后鑄件的凈尺寸符合要求。
2.4工藝補(bǔ)正量
為防止加工后導(dǎo)軌因變形而變薄,導(dǎo)軌及地腳背面可留3～5mm工藝補(bǔ)正量。
2.5澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)
澆注位置當(dāng)然是將導(dǎo)軌放在下面,一般從床身兩端由導(dǎo)軌進(jìn)入鐵液;特別長(zhǎng)的導(dǎo)軌可采用底返雨淋澆注系統(tǒng),這種澆注系統(tǒng)可_鐵液流程不要太長(zhǎng),有效防止出現(xiàn)冷隔及導(dǎo)軌掉渣、氣孔缺陷,使鐵液雜質(zhì)上浮。澆注系統(tǒng)全部采用耐火瓷管,造型時(shí)預(yù)埋于砂型中。根據(jù)床身長(zhǎng)度、澆注重量、導(dǎo)軌及床身與立柱結(jié)合面位于下型的特點(diǎn),選擇兩端座包澆注,且采用底返雨淋及由“平、V”導(dǎo)軌兩端同時(shí)進(jìn)入鐵液,總體上兩層階梯澆注方式,這樣內(nèi)澆道多點(diǎn)分散注入,兩部行車同時(shí)澆注,充分考慮鐵液流程,避免產(chǎn)生冷隔、澆不足、氣孔等缺陷。導(dǎo)軌中間采用集渣包,分散引流等方式將冷鐵液轉(zhuǎn)移走,避免導(dǎo)軌中間出現(xiàn)氣孔針孔等缺陷,從而達(dá)到_導(dǎo)軌鑄造無(wú)缺陷的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。澆注時(shí)間要盡量短,依據(jù)澆注重量,一般在3～5min內(nèi)澆注完。
2.6冒口設(shè)計(jì)
多采用耳冒口形式,厚大部位用冷鐵包敷;冒口放置位置避開(kāi)厚大部位,防止形成接觸熱節(jié)。
2.7砂芯設(shè)計(jì)
在_操作方便的情況下,盡量將各砂芯連在一起,以增大自重抵消鐵液浮力。另外要用緊固螺栓把砂芯固定在底箱上,緊固螺栓可以穿透一層甚至幾層砂芯,另外導(dǎo)軌芯也要根據(jù)長(zhǎng)度分成好幾段。
2.8模板設(shè)計(jì)
較長(zhǎng)的床身,模板可做成2～3段,段與段之間用燕尾銷連接;若不用外模,純粹用砂芯組合起來(lái),那么形成外型的砂芯也要人為分成幾段,以便制芯和下芯操作。
2.9冷卻措施
對(duì)于比較厚大的導(dǎo)軌,可在導(dǎo)軌底面敷以冷鐵激冷,冷鐵材質(zhì)采用石墨塊,也可以采用鑄鐵冷鐵,當(dāng)然_烘干水分,防止嗆火,特別在冬季要注意避免溫差太大,因此放置鑄鐵冷鐵要慎用。
2.10尺寸精度控制
底箱首先要鋪平,要用水平儀或拉線找平;導(dǎo)軌芯也要注意以水平線找正,其高度尺寸定位也要充考慮反變形量和加工余量。
2.11熔煉澆注工藝
采用高Si/C灰鑄鐵在CE=3.4%～3.8%條件下,適當(dāng)增加廢鋼加入量,將Si/C從0.4～0.5提高到0.7～0.8,將鐵液出爐溫度提高到1450℃以上,抗拉強(qiáng)度可提高20～30MPa,鑄件具有較小的變形傾向;但對(duì)于機(jī)床這類壁較厚的鑄件,提高Si/C比會(huì)增加厚斷面處的鐵素體含量,反而會(huì)使硬度降低,此時(shí)加入Cr合金元素,提高機(jī)床厚斷面處的珠光體含量,減少斷
面硬度差,增加機(jī)床的精度穩(wěn)定性。另外, Mn量稍高于Si量的灰鑄鐵具有良好的性能:收縮小,不易產(chǎn)生縮孔、縮松,切削性能好,是一種提高強(qiáng)度,彈性模量和耐磨性、減少鑄件變形的良好材質(zhì)。[2]值得一提的是,機(jī)床導(dǎo)軌表面經(jīng)常采用淬火熱處理,淬火后的表面能獲得馬氏體+石墨的組織,珠光體基體淬火后表面硬度可達(dá)50HRC左右,因普通灰鑄鐵含Si高,淬透性差,添加少量Ni、Cr、Mo能_其淬透性。采用爐前孕育和澆注時(shí)瞬時(shí)孕育相結(jié)合的方法,一般澆注采用兩包同時(shí)澆注。要調(diào)整好鐵液成分,_鐵液溫度。我廠采用的HT250、HT300的化學(xué)成分見(jiàn)表2。
表2 HT250、HT300的化學(xué)成分（ wt%）
牌號(hào) | C | Si | Mn | S | P | Cr |
HT250 | 2.9～3.1 | 1.3～1.5 | 1.0～1.2 | ≤0.12 | ≤0.15 | ＜0.3 |
HT300 | 2.9～3.2 | 1.2～1.6 | 0.9～1.2 | ＜0.1 | ＜0.12 | ＜0.3 |
3重點(diǎn)缺陷防止
3.1變形問(wèn)題
對(duì)于分導(dǎo)軌水平方向和床身側(cè)面方向的變形問(wèn)題,解決的措施:一是上述已提到的做反變形量;二是根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu),在鑄件抗彎薄弱的地方適當(dāng)做拉筋。
3.2砂芯漂芯
主要的是將導(dǎo)軌芯及上層砂芯用長(zhǎng)螺栓緊固于下箱,若無(wú)法緊固,則應(yīng)將各個(gè)獨(dú)立的砂塊用外力將它們聯(lián)系起來(lái),以抵消浮力的沖擊。
3.3組織疏松硬度低
經(jīng)常在床身導(dǎo)軌面加工后出現(xiàn)彌散分布的細(xì)孔,這_是組織疏松,這是由于其金相組織中片狀石墨粗大,即組織異常造成的缺陷,表現(xiàn)出很低的硬度。其形成原因主要是對(duì)應(yīng)于鑄件壁厚部位,碳當(dāng)量過(guò)高,片狀石墨粗大是根本原因;熔煉溫度低,鐵液過(guò)熱度小,鐵液中有未_熔解的石墨片,易使片狀石墨粗大;沖天爐熔煉過(guò)程中,鐵液增碳過(guò)多。其防止措施:根據(jù)鑄件壁厚,確定合理的碳當(dāng)量,以獲得細(xì)片狀石墨和以珠光體為主的金相組織;鑄件化學(xué)成分中添加適量的合金元素,如B、Mn等;提高鐵液過(guò)熱度,加強(qiáng)孕育處理,降低澆注溫度,提高鑄件厚壁部分的冷卻速度,如放外冷鐵等。
3.4硬質(zhì)點(diǎn)及淬火效果差
主要是由于含Si量高,組織中含有未充分?jǐn)U散的局部的硅富集區(qū),富集區(qū)中的Si同鐵液中的C形成硬度很高的非金屬夾雜物SiC晶體[3]造成加工硬點(diǎn);另外由于含Si量高,組織中有鐵素體存在,使得淬火硬度和深度受到影響,因?yàn)殍F素體組織的淬透性遠(yuǎn)比珠光體差。因此,對(duì)于要求導(dǎo)軌表面淬火的機(jī)床床身,成份選取時(shí)應(yīng)控制較低的含Si量,一般在1.2%～1.6%Si之間,對(duì)于原始組織中有鐵素體存在需要表面淬火的灰鑄鐵件,則進(jìn)行一次正火處理,能_隨后的淬火效果。
4應(yīng)用效果
（ 1）采取以上工藝措施已成功為上海、威海、濟(jì)南、沈陽(yáng)等地生產(chǎn)數(shù)件機(jī)床床身,他們對(duì)我廠生產(chǎn)的鑄件給予充分肯定和高度評(píng)價(jià)。
（ 2）該工藝成功應(yīng)用于M7150×3m、M7150×5m、M7150×6.6m、M7150×8.6m, M7150×12.6m、M8463×6.6m、M8463×8.6m、M8040×6.6m、M8048×8.6m等幾種大型磨床床身及桂林重達(dá)15t的工作臺(tái)及本公司大型鑄鐵平臺(tái)的生產(chǎn),不僅操作安全方便,而且經(jīng)濟(jì)適用,效果很好,相比劈模造型而言,生產(chǎn)以上鑄件可節(jié)約工裝費(fèi)用100余萬(wàn)元。
（ 3）應(yīng)用組箱組芯法生產(chǎn)大型機(jī)床床身,具有經(jīng)濟(jì)適用,操作安全性高的優(yōu)點(diǎn),很適合鑄造廠手工造型。應(yīng)用此工藝方法,從理論上講,無(wú)論多長(zhǎng)的鑄件都能夠生產(chǎn),從而擴(kuò)大了我廠的生產(chǎn)能力,拓寬了市場(chǎng)領(lǐng)域。
（ 4）充分考慮機(jī)床床身鑄件本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),正確選取各項(xiàng)工藝參數(shù),合理調(diào)整鐵液成分,_鐵液溫度,做好各類缺陷的防止措施,_能夠成功鑄造大型機(jī)床床身。
