目前国产大型机床包括车床、铣床、刨床、磨床、数控机床等各类机床床身铸件的壁厚一般在 20 ～ 40mm, 属于中厚壁铸件 , 重量一般在 5 ～ 50t, 材质为 HT250 或 HT300 。该类铸件的_特点是导轨较长 , 一般在几米甚至十几米 , 非常容易产生弯曲变形 , 且导轨非常厚大 , 一般在 40 ～ 100mm, 导轨容易产生组织缺陷 , 特别是 10m 长的导轨要保证无任何气孔砂眼也是较困难的。该类铸件往往是单件小批量生产 , 没有现成的工装砂箱 , 投资较大 , 特别是数控机床床身 , 结构形状比较复杂 , 在模样制作、砂芯紧固、等造型操作方面存在较大难度 ; 其材质要求具有良好的精度稳定性、抗压强度和减震性 , 良好的切削性能和铸造性能 , 其硬度要求 180 ～ 241HB, 硬度差△ HB ≤ 35 [1] , 有些采用淬火硬化的机床导轨要求 HT300 以上牌号 , 易产生组织疏松、硬度低、硬质点及淬火效果差等缺陷 , 一旦因为这些问题导致铸件报废 , 损失非常惨重 , 因此很有必要进行专门研究。

1 造型工艺

1.1 造型方法的选择

首先要生产该类件需有专用工装 , 一般铸造厂无此专用工装 , 而且该类件往往都是定单制作 , 批量不大 , 没有规模效益。所以要生产该类件所投工装砂箱费用比铸件的价值还要大 , 一旦导轨等重要部位出现重大缺陷造成废品 , 那损失更是不可估量。因此铸造厂做此类铸件有时得不偿失 , 而且 10m 多长的铸件需要 10m 多长的砂箱 , 对整铸式砂箱的强度和刚度要求也相当高 , 如果在吊装过程中发生折断砂箱的情况 , 造成人员伤亡 , 那更是雪上加霜。因此如何生产此类铸件 , 非常值得探讨。一般厂家采用地坑造型 , 但对于紧张的造型面积 , 地坑造型不是很合适 , 而采用简易的组箱组芯法较好地解决了这一问题 , 它可以有效利用车间面积。

1.2 组箱组芯法简介

该工艺区别于传统的组箱组芯法 ( 劈模造型 ) 。传统的劈模造型是将模样根据各个面的形状分成几部分 , 然后将这几部分固定在模板上 , 再用专用砂箱舂箱 , 舂完箱再将各面砂箱组起来 , 用螺栓紧固好 , 空腔用砂芯组合。而新型组箱组芯法不用外模样 , 不用模板 , 直接将分段砂箱组合起来 , 在组合好后的砂箱内用砂芯直接组出铸件结构形状。采用组箱组芯法制作专用工装 , 铸件结构形状全部用砂芯组合 , 重点要解决好砂箱组合起来的刚度问题 , 所以必须用螺栓连接 , 这是该件能够投产的前提条件。对于分成若干段的总共长达十几米的砂

箱 , 重点保证砂箱的强度和刚度的连续性 , 要求混砂速度快 , 舂砂也要跟上出砂的节奏 , 否则易出现砂型隔层裂纹等缺陷。

1.3 该工艺的优缺点

该工艺把砂箱做成不同规格 ( 1m 、 1.5m 、 2m 、 3m 等 ) 不同数量的几段 , 然后拼凑起各种长度和宽度不同的砂箱框 , 各段砂箱间用螺栓联结 , 满足不同长度和宽度的铸件需求 , 通用性强 , 一套工装可满足几种铸件的生产 , 工装费用大大降低 , 适用范围广 , 且操作方便 , 对砂箱的尺寸精度要求低。该工艺将长达十几米的砂箱分成几段 , 减小每块砂箱的重量和尺寸大小 , 降低在行车吊装过程的危险性 , 可成功地避免这方面的安全事故 , 因为曾经发生几米长的砂箱在吊装过程中折断而发生危险的事情。表 1 是组箱组芯法与传统方法的比较。该方法缺点是要求操作人员的素质较高 , 操作过程尺寸精度的控制很大程度上依赖于操作人员的把握。

表1.组箱组芯法与传统方法的比较

 

2 工艺设计及过程控制

2.1 反变形量

导轨面上留凸起的反变形量 5 ～ 25mm 不等 , 根据导轨长度确定 : 床身长度 <5m, 每 1m 铸件留 1 ～ 2mm 反变形量 ; 床身长度 >5m, 每 1m 铸件留反变形量 1.5 ～ 2.5mm; 地脚面也要随形做出反变形量 ; 有些结构很不均匀的床身 , 可能还会出现侧弯曲 , 这样也当需要在导轨侧面甚至整个床身侧面都要留反变形量。

2.2 加工余量

一般在反变形量基础上再留 10 ～ 20mm 加工余量 , 余量也不用太大 , 否则加工完后会出现硬度不够的现象。

2.3 收缩率

一般长度方向取 1.0%, 宽度方向取 0.8%, 高度方向取 0.5% 。考虑胀箱等因素 , 宽度方向可不留缩尺 , 甚至考虑将模样尺寸人为减小 , 以保证出件后铸件的净尺寸符合要求。

2.4 工艺补正量

为防止加工后导轨因变形而变薄 , 导轨及地脚背面可留 3 ～ 5mm 工艺补正量。

2.5 浇注系统设计

浇注位置当然是将导轨放在下面 , 一般从床身两端由导轨进入铁液 ; 特别长的导轨可采用底返雨淋浇注系统 , 这种浇注系统可保证铁液流程不要太长 , 有效防止出现冷隔及导轨掉渣、气孔缺陷 , 使铁液杂质上浮。浇注系统全部采用耐火瓷管 , 造型时预埋于砂型中。根据床身长度、浇注重量、导轨及床身与立柱结合面位于下型的特点 , 选择两端座包浇注 , 且采用底返雨淋及由“平、 V ”导轨两端同时进入铁液 , 总体上两层阶梯浇注方式 , 这样内浇道多点分散注入 , 两部行车同时浇注 , 充分考虑铁液流程 , 避免产生冷隔、浇不足、气孔等缺陷。导轨中间采用集渣包 , 分散引流等方式将冷铁液转移走 , 避免导轨中间出现气孔针孔等缺陷 , 从而达到保证导轨铸造无缺陷的目标实现。浇注时间要尽量短 , 依据浇注重量 , 一般在 3 ～ 5min 内浇注完。

2.6 冒口设计

多采用耳冒口形式 , 厚大部位用冷铁包敷 ; 冒口放置位置避开厚大部位 , 防止形成接触热节。

2.7 砂芯设计

在保证操作方便的情况下 , 尽量将各砂芯连在一起 , 以增大自重抵消铁液浮力。另外要用紧固螺栓把砂芯固定在底箱上 , 紧固螺栓可以穿透一层甚至几层砂芯 , 另外导轨芯也要根据长度分成好几段。

2.8 模板设计

较长的床身 , 模板可做成 2 ～ 3 段 , 段与段之间用燕尾销连接 ; 若不用外模 , 纯粹用砂芯组合起来 , 那么形成外型的砂芯也要人为分成几段 , 以便制芯和下芯操作。

2.9 冷却措施

对于比较厚大的导轨 , 可在导轨底面敷以冷铁激冷 , 冷铁材质_采用石墨块 , 也可以采用铸铁冷铁 , 当然必须烘干水分 , 防止呛火 , 特别在冬季要注意避免温差太大 , 因此放置铸铁冷铁要慎用。

2.10 尺寸精度控制

底箱首先要铺平 , 要用水平仪或拉线找平 ; 导轨芯也要注意以水平线找正 , 其高度尺寸定位也要充考虑反变形量和加工余量。

2.11 熔炼浇注工艺

采用高 Si/C 灰铸铁在 CE=3.4% ～ 3.8% 条件下 , 适当增加废钢加入量 , 将 Si/C 从 0.4 ～ 0.5 提高到 0.7 ～ 0.8, 将铁液出炉温度提高到 1450 ℃以上 , 抗拉强度可提高 20 ～ 30MPa, 铸件具有较小的变形倾向 ; 但对于机床这类壁较厚的铸件 , 提高 Si/C 比会增加厚断面处的铁素体含量 , 反而会使硬度降低 , 此时加入 Cr 合金元素 , 提高机床厚断面处的珠光体含量 , 减少断

面硬度差 , 增加机床的精度稳定性。另外 , Mn 量稍高于 Si 量的灰铸铁具有良好的性能 : 收缩小 , 不易产生缩孔、缩松 , 切削性能好 , 是一种提高强度 , 弹性模量和耐磨性、减少铸件变形的良好材质。 [2] 值得一提的是 , 机床导轨表面经常采用淬火热处理 , 淬火后的表面能获得马氏体 + 石墨的组织 , 珠光体基体淬火后表面硬度可达 50HRC 左右 , 因普通灰铸铁含 Si 高 , 淬透性差 , 添加少量 Ni 、 Cr 、 Mo 能改善其淬透性。采用炉前孕育和浇注时瞬时孕育相结合的方法 , 一般浇注采用两包同时浇注。要调整好铁液成分 , 保证铁液温度。我厂采用的 HT250 、 HT300 的化学成分见表 2 。

表 2 HT250 、 HT300 的化学成分 ( wt%)

牌号	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 重点缺陷防止

3.1 变形问题

对于分导轨水平方向和床身侧面方向的变形问题 , 解决的措施 : 一是上述已提到的做反变形量 ; 二是根据铸件结构 , 在铸件抗弯薄弱的地方适当做拉筋。

3.2 砂芯漂芯

_主要的是将导轨芯及上层砂芯用长螺栓紧固于下箱 , 若无法紧固 , 则应将各个独立的砂块用外力将它们联系起来 , 以抵消浮力的冲击。

3.3 组织疏松硬度低

经常在床身导轨面加工后出现弥散分布的细孔 , 这_是组织疏松 , 这是由于其金相组织中片状石墨粗大 , 即组织异常造成的缺陷 , 表现出很低的硬度。其形成原因主要是对应于铸件壁厚部位 , 碳当量过高 , 片状石墨粗大是根本原因 ; 熔炼温度低 , 铁液过热度小 , 铁液中有未完全熔解的石墨片 , 易使片状石墨粗大 ; 冲天炉熔炼过程中 , 铁液增碳过多。其防止措施 : 根据铸件壁厚 , 确定合理的碳当量 , 以获得细片状石墨和以珠光体为主的金相组织 ; 铸件化学成分中添加适量的合金元素 , 如 B 、 Mn 等 ; 提高铁液过热度 , 加强孕育处理 , 降低浇注温度 , 提高铸件厚壁部分的冷却速度 , 如放外冷铁等。

3.4 硬质点及淬火效果差

主要是由于含 Si 量高 , 组织中含有未充分扩散的局部的硅富集区 , 富集区中的 Si 同铁液中的 C 形成硬度很高的非金属夹杂物 SiC 晶体 [3] 造成加工硬点 ; 另外由于含 Si 量高 , 组织中有铁素体存在 , 使得淬火硬度和深度受到影响 , 因为铁素体组织的淬透性远比珠光体差。因此 , 对于要求导轨表面淬火的机床床身 , 成份选取时应控制较低的含 Si 量 , 一般在 1.2% ～ 1.6%Si 之间 , 对于原始组织中有铁素体存在需要表面淬火的灰铸铁件 , 则进行一次正火处理 , 能保证随后的淬火效果。

4 应用效果

( 1) 采取以上工艺措施已成功为上海、威海、济南、沈阳等地生产数件机床床身 , 他们对我厂生产的铸件给予充分肯定和高度评价。

( 2) 该工艺成功应用于 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 等几种大型磨床床身及桂林重达 15t 的工作台及本公司大型铸铁平台的生产 , 不仅操作安全方便 , 而且经济适用 , 效果很好 , 相比劈模造型而言 , 生产以上铸件可节约工装费用 100 余万元。

( 3) 应用组箱组芯法生产大型机床床身 , 具有经济适用 , 操作安全性高的优点 , 很适合铸造厂手工造型。应用此工艺方法 , 从理论上讲 , 无论多长的铸件都能够生产 , 从而扩大了我厂的生产能力 , 拓宽了市场领域。