引言

五面體加工中心作為機(jī)械生產(chǎn)的加工母機(jī) ,本身的質(zhì)量就會(huì)影響到加工后零件的精度 。 目前我國(guó)生產(chǎn)的五面體加工中心和世界上一流的五面體加工中心還有不小的差距 ,主要表現(xiàn)在材質(zhì)、尺寸和外表質(zhì)量 。針對(duì)此現(xiàn)實(shí)情況 ,筆者通過(guò)控制材質(zhì)、鑄造工藝、砂型幾個(gè)方面來(lái)達(dá)到制作優(yōu)質(zhì)五面體加工中心硬軌床身的目的。

1 材質(zhì)

(1)目前比較優(yōu)秀的機(jī)床制造商都采用HT300及以上的材質(zhì) ,而對(duì)于HT300的生產(chǎn) ,大多數(shù)鑄造廠都是以抗拉試棒能夠滿足300 N/mm2為標(biāo)準(zhǔn) ,而實(shí)際使用時(shí)的五面體加工中心需要的材質(zhì)除了要求高強(qiáng)度以外 ,也需要高硬度、低應(yīng)力來(lái)抵抗高速切削時(shí)10 000~30 000 r/min的速度帶來(lái)的破壞力和高速滑動(dòng)時(shí)的摩擦力 ,所以我們?cè)诳紤]強(qiáng)度后 ,還應(yīng)該考慮高硬度和低應(yīng)力。

要解決這個(gè)問(wèn)題 ,必須從材料的顯微組織著手 ,要做到強(qiáng)度和硬度高 ,材料就必須具備珠光體基體組織 。以筆者從事機(jī)床鑄造三十幾年的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看 , 珠光體含量必須在95%以上 ,肖 氏硬度必須在HS31即HB200以上 。另外 , 石墨組織應(yīng)為A 型石墨,石長(zhǎng)控制在18 mm(100倍顯微鏡)以下 ,針對(duì)以上基體組織和石墨形狀再確定材質(zhì)元素的組成和熔煉方法。

(2)元素的確定 ,如表1所示。

(3)沖天爐參數(shù)的選擇: 以高碳當(dāng)量的理念做高強(qiáng)度、低應(yīng)力的鑄件 ,我們是以沖天爐作為工具來(lái)熔煉鐵水的。沖天爐為兩臺(tái)7 t熔化率的熱風(fēng)沖天爐 ,是在原有的5 t冷風(fēng)沖天爐上進(jìn)行改進(jìn)的。沖天爐風(fēng)口為大排距大風(fēng)口形式 ,二排風(fēng)口排距為900 ,每排8只風(fēng)口:上排風(fēng)口直徑小45 ,傾斜度59: 下排風(fēng)口直徑小48 ,傾斜度39 。鼓風(fēng)機(jī)為75 kw的羅茨鼓風(fēng)機(jī) ,焦炭選用鎮(zhèn)江焦化廠生產(chǎn)的固定碳大于90%的優(yōu)質(zhì)焦炭 ,焦炭塊度大小160~200 mm。

(4)爐料的選擇和配比:

1)生鐵:選用球墨鑄造用生鐵 ,避免微量元素的存在。

2)廢鋼:選用船用鋼板料 ,不銹鋼板厚度6~20 mm ,大小300 mm以下。

3)廢舊生鐵: 選用機(jī)械的 舊生鐵 , 有比較好的組織遺傳性。

4)回爐鐵:本廠回爐的澆冒口、披縫廢鑄件等。

5)錳鐵:高碳65%錳鐵 。

6)硅鐵:大于72%的硅鐵 。

7)銅:整塊電解銅自行切成50 mm×50 mm塊度。8)爐料配比:批料550 kg ,批焦53kg。

新生鐵140 kg(25%) ,廢鋼250 kg(45%) ,廢舊生鐵100 kg ,回爐件60 kg ,配料錳為0.608 , 去除燒損每批需加入6.5 kg錳 ,配料硅為0.886 ,去除燒損每批需要加入6 kg硅 ,配料碳為2.20 ,依靠熱風(fēng)沖天爐自身的增碳。

(5)嚴(yán)格按照沖天爐操作工藝進(jìn)行操作。

1)控制好風(fēng)量大小 ,觀察開(kāi)風(fēng)后的風(fēng)眼鐵液情況和過(guò)橋的下鐵時(shí)間。

2)控制好爐膛尺寸(風(fēng)眼大小、傾斜角度及爐膛各部位的尺寸) 。

3)控制好前后爐烘烤干燥。

4)開(kāi)爐過(guò)程中嚴(yán)密注意渣的情況(顏色、黏稠度) ,每小時(shí)放一次爐渣。

5)嚴(yán)密注意前爐蓋上觀察孔爐火的顏色 ,如顏色有變化 ,及時(shí)調(diào)整焦炭量的投放,正常情況下1 h補(bǔ)半車(chē)焦炭(大約30 kg) 。

6)加料要保持在加料平臺(tái)上方 ,不能過(guò)低。

7)根據(jù)實(shí)際出鐵的情況投放孕育劑 ,孕育劑分二次投放 ,第一次為在出鐵槽隨流倒入硅粒、硅鋇和其他孕育劑 , 目 的是促進(jìn)A型石墨、共晶團(tuán)和珠光體的形成:再在澆注前第二次倒入孕育劑 ,第二次孕育是為了阻礙石墨化的衰退 ,保證A型石墨的形成和石墨不會(huì)粗大造成元素的偏析 。

8)出鐵溫度在包子內(nèi)進(jìn)行測(cè)量 ,測(cè)量溫度大

于1 430 ℃ , 即經(jīng)過(guò)鐵水槽隨流孕育后 ,包子內(nèi)的鐵液溫度保持在1 430 ℃以上 ,等溫度降至1 400 ℃ 再進(jìn)到第二次孕育 ,然后澆注。

9)爐前控制 , 除了孕育以外 ,要以現(xiàn)場(chǎng)的碳硅分析儀作為參考并結(jié)合三角試片的白口現(xiàn)象 ,對(duì)鐵液加入的孕育劑作適當(dāng)調(diào)整。

10)澆注時(shí) ,包子要高于澆口杯一定高度 ,增加適當(dāng)壓頭 ,讓型腔能夠盡快充滿鐵液 ,澆注過(guò)程中應(yīng)保持澆口杯里始終存在液面 ,包子內(nèi)的垃圾要撇清 。除渣劑撒在鐵液上能形成蓋子 , 既能保持溫度 ,又能吸收爐渣和氧化皮并及時(shí)點(diǎn)燃以利出氣,讓型腔形成負(fù)壓 ,使得鐵液順利進(jìn)入。

2 鑄造工藝

(1)首先對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行技術(shù)條件及結(jié)構(gòu)的工藝性分析 ,

如果認(rèn)定產(chǎn)品設(shè)計(jì)上有不足和缺陷 ,及時(shí)和客戶進(jìn)行聯(lián)系協(xié)商,然后開(kāi)始工藝設(shè)計(jì)。

確定澆注位置和分型面 ,對(duì)五面體加工中心來(lái)說(shuō) ,有時(shí)不單單是一面有導(dǎo)軌和重要加工面 ,會(huì)有三面是導(dǎo)軌(五軸聯(lián)動(dòng)的加工中心) , 日本松浦機(jī)械的床身底座就是這種類(lèi)型 ,這就需要判斷哪個(gè)面是最主要、最容易發(fā)生問(wèn)題的面 ,把這面放在底箱 ,依次類(lèi)推 ,分型面按和側(cè)面相交盡量少的部位來(lái)做 ,還要有利于設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)。確定了澆注位置和分型面 ,我們就可以設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和砂型。

(2)澆注系統(tǒng): 即鑄型中引導(dǎo)鐵液進(jìn)入型腔的通道 ,生產(chǎn)中常常因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)安排不當(dāng)而造成鑄造缺陷。此外 ,澆注系統(tǒng)的好壞還影響造型后清理工作的繁簡(jiǎn)、砂型的體積大小和工藝出品率的高低 。因此 ,正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低鑄件成本和保證鑄件品質(zhì)極其重要。

設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)要滿足以下原則:

1)控制好鐵液的流動(dòng)速度和方向 ,使其能平穩(wěn)地充滿鑄型,盡量避免鐵液絮流現(xiàn)象產(chǎn)生。

2)調(diào)節(jié)鑄件上各部分的溫度分布 , 能讓主要的加工面先凝固。

3)澆注系統(tǒng)應(yīng)有除渣作用 ,能阻擋夾雜物進(jìn)入鑄型型腔。

4)有一 定的補(bǔ)縮作用 ,一般是在內(nèi)澆口凝固前補(bǔ)給部分的液態(tài)收縮。

5)保證鐵液以最短的距離、最合宜的時(shí)間充滿鑄型 ,并保證金屬液面在型腔內(nèi)有合適的上升速度 , 以得到完好的鑄件外表。

6)在保證鑄件質(zhì)量的前提下 ,澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要有利于減小冒口體積 , 結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單緊湊 , 以利提高鑄型表面的利用率 ,也要方便工人操作和鑄件的清理。

7)澆注系統(tǒng)的面積、各澆注環(huán)節(jié)的比例要安排恰當(dāng)。各段澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比例按照半封閉半開(kāi)放的形式 , 即F橫 >F直 >F內(nèi), 內(nèi)澆口的面積按照F內(nèi) = (cm2)來(lái)設(shè)計(jì) ,G為鑄件澆注重量(kg) ,μ為總流量的消耗系數(shù) ,我們 目前五面體加工中心的鑄件一般取0.45 ,1為澆注時(shí)間 ,Hp為平均靜壓頭 ,基本上按合箱好工裝高度的一半加1m高度 。澆注時(shí)間1用1=s√3G6 來(lái)計(jì)算 ,s一般取2.8~3.0 , 當(dāng)需要快澆時(shí)選2.5~2.7 ,6為平均壁厚。F橫 >F直 >F內(nèi) 的比例一般為1.2:1. 1:1.0 ,下澆口分直澆口、橫 澆口 , 內(nèi)澆口被砂型包圍的均用陶瓷澆道制作 , 內(nèi)澆口除陶瓷澆道外盡量以扁平式澆口進(jìn)入型腔。

8)在澆注系統(tǒng)中設(shè)立過(guò)濾網(wǎng) ,根據(jù)鐵液的流向盡可能將過(guò)濾網(wǎng)設(shè)置在橫澆口截面或內(nèi)澆口截面。

(3)砂型的設(shè)計(jì):砂芯的數(shù)量及結(jié)構(gòu)主要取決于鑄件的結(jié)構(gòu),但在做工藝時(shí) ,如考慮得當(dāng) ,仍然有可能使砂芯易于制造 ,且使下芯作業(yè)方便。

1)外模砂型的設(shè)計(jì) ,首先要和澆注系統(tǒng)相匹配 ,另外外模盡量少做砂芯并固定在型板上 ,不能起模的地方拆活動(dòng)做活動(dòng)塊 ,活動(dòng)塊也不能做的 ,那就考慮做砂芯 ,這樣既可以保證產(chǎn)品外面的形狀尺寸精度 ,也能減少由于砂芯和外模芯頭形成的披縫 。 因?yàn)槭侨斯は滦?,有披縫間隙 ,所以砂芯和外模芯頭是沒(méi)有全部和外模一體的平整。下芯的精度是人為控制的 ,會(huì)因?yàn)槿说脑蚨l(fā)生變化。

2)對(duì)于產(chǎn)品內(nèi)部砂芯的設(shè)計(jì)一般盡量減少砂芯的數(shù)量 ,但對(duì)于復(fù)雜砂芯或尺寸比較大容易發(fā)生變形的砂芯可考慮分塊制造 ,便于砂芯制作時(shí)的填砂揩砂 。選擇合適的砂芯形狀 ,使砂芯揩砂面寬廣 ,盡量用砂芯頭作揩砂面 ,盡量不在揩砂面上做活動(dòng)塊。

(4)鑄造工藝的參數(shù):

1)鑄造工藝收縮率: 由于產(chǎn)品牌號(hào)較高 , 收縮比較大 ,一般收縮率在1.2%~1.4%。

2)鑄造加工余量1 500~2 500 mm長(zhǎng)度控制在下、側(cè)7 mm ,上8 mm , 1 500 mm以下長(zhǎng)度控制在下、側(cè)5 mm ,上6~7 mm。

3)芯頭披縫1 500mm以上的1.5~2 mm , 1 000~1 500 mm的1.0~1.5 mm , 1 000 mm以下的1.0 mm。

4)起模斜度按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)做 , 內(nèi)部筋條做正負(fù)起模。

(5)模型的制作:模型制作的工藝和材料直接影響到產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量。所以 ,首先模型的結(jié)構(gòu)外模為固定型板式的 , 四周拆活動(dòng)用燕尾榫作定位?；顒?dòng)塊的燕尾榫用硬木或電木制作 ,外模型板的底框用鋼結(jié)構(gòu)焊接后再鋪木板 ,木板使用機(jī)器刨平后再鋪15 mm以上的優(yōu)質(zhì)多層夾板。砂型盒的結(jié)構(gòu)為套斗式,外框用鋼結(jié)構(gòu)或方鋼木材組裝而成 。為固定形狀、防止變形 ,再墊入30 mm以上的墊板作為砂芯形狀 ,砂芯外框形狀做成傾斜狀 ,斜度8° ,上大下小 ,便于脫模 。外模和砂芯盒所用的木料均為經(jīng)過(guò)熱處理后的木料 ,并要進(jìn)行油漆封底 ,避免因木料受潮后引起的模型變形和尺寸變動(dòng) 。根據(jù)上述要求做出的模型 ,壽命達(dá)到500件以上 , 能夠保持產(chǎn)品精度和外表質(zhì)量的穩(wěn)定及前后一致性 ,保證了五面體機(jī)床廠加工時(shí)一 次性裝夾的連續(xù)性。

3 型砂

我們采用以吠喃樹(shù)脂為粘結(jié)劑的造型方法 , 原砂和粘結(jié)劑的使用及砂處理設(shè)備和混砂機(jī)的質(zhì)量都決定了砂型的質(zhì)量 ,決定了產(chǎn)品的外表質(zhì)量和精度。

對(duì)于原砂 ,我們選擇了含si02量較高的福建海砂 ,si02含量大于97% ,砂粒形狀為接近圓形的多角形 ,選用的 目數(shù)為40~70目:吠喃樹(shù)脂選用花王化學(xué)的優(yōu)質(zhì)吠喃樹(shù)脂和粘結(jié)劑 ,吠喃樹(shù)脂加入量為外模0.82% , 坭芯0.88%: 固化劑用花王生產(chǎn)的A、B泵調(diào)節(jié):砂處理設(shè)備采用無(wú)錫錫南鑄機(jī)生產(chǎn)的20 t砂處理設(shè)備:混砂機(jī)采用無(wú)錫錫南鑄機(jī)生產(chǎn)的20 t混砂機(jī)一 臺(tái)、10 t混砂機(jī)兩臺(tái)。

(1)型砂強(qiáng)度的確定 ,如表2所示。

(2)再生砂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):灼燒減量小于2.5% ,微粉含量小于0.2%。

4 工藝流程

工藝流程原理如圖1所示。

5 結(jié)語(yǔ)

基于以上技術(shù)措施、工藝方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) , 已生產(chǎn)出了大量?jī)?yōu)質(zhì)五面體加工中心的大型鑄件 ,客戶多為日本的機(jī)床企業(yè) ,如大限機(jī)械株式會(huì)社、津上機(jī)械株式會(huì)社、松浦機(jī)械株式會(huì)社、富士機(jī)械株式會(huì)社、OKK機(jī)械株式會(huì)社、富士機(jī)械株式會(huì)社 ,得到了客戶的高度肯定 , 并用這些技術(shù)申請(qǐng)了幾十項(xiàng)的發(fā)明專(zhuān)利。