五面体加工中心硬轨床身的制作

引言

五面体加工中心作为机械生产的加工母机 ,本身的质量就会影响到加工后零件的精度 。 目前我国生产的五面体加工中心和世界上一流的五面体加工中心还有不小的差距 ,主要表现在材质、尺寸和外表质量 。针对此现实情况 ,笔者通过控制材质、铸造工艺、砂型几个方面来达到制作优质五面体加工中心硬轨床身的目的。

1 材质

(1)目前比较优秀的机床制造商都采用HT300及以上的材质 ,而对于HT300的生产 ,大多数铸造厂都是以抗拉试棒能够满足300 N/mm2为标准 ,而实际使用时的五面体加工中心需要的材质除了要求高强度以外 ,也需要高硬度、低应力来抵抗高速切削时10 000~30 000 r/min的速度带来的破坏力和高速滑动时的摩擦力 ,所以我们在考虑强度后 ,还应该考虑高硬度和低应力。

要解决这个问题 ,必须从材料的显微组织着手 ,要做到强度和硬度高 ,材料就必须具备珠光体基体组织 。以笔者从事机床铸造三十几年的经验来看 , 珠光体含量必须在95%以上 ,肖 氏硬度必须在HS31即HB200以上 。另外 , 石墨组织应为A 型石墨,石长控制在18 mm(100倍显微镜)以下 ,针对以上基体组织和石墨形状再确定材质元素的组成和熔炼方法。

(2)元素的确定 ,如表1所示。

(3)冲天炉参数的选择: 以高碳当量的理念做高强度、低应力的铸件 ,我们是以冲天炉作为工具来熔炼铁水的。冲天炉为两台7 t熔化率的热风冲天炉 ,是在原有的5 t冷风冲天炉上进行改进的。冲天炉风口为大排距大风口形式 ,二排风口排距为900 ,每排8只风口:上排风口直径小45 ,倾斜度59: 下排风口直径小48 ,倾斜度39 。鼓风机为75 kw的罗茨鼓风机 ,焦炭选用镇江焦化厂生产的固定碳大于90%的优质焦炭 ,焦炭块度大小160~200 mm。

(4)炉料的选择和配比:

1)生铁:选用球墨铸造用生铁 ,避免微量元素的存在。

2)废钢:选用船用钢板料 ,不锈钢板厚度6~20 mm ,大小300 mm以下。

3)废旧生铁: 选用机械的 旧生铁 , 有比较好的组织遗传性。

4)回炉铁:本厂回炉的浇冒口、披缝废铸件等。

5)锰铁:高碳65%锰铁 。

6)硅铁:大于72%的硅铁 。

7)铜:整块电解铜自行切成50 mm×50 mm块度。8)炉料配比:批料550 kg ,批焦53kg。

新生铁140 kg(25%) ,废钢250 kg(45%) ,废旧生铁100 kg ,回炉件60 kg ,配料锰为0.608 , 去除烧损每批需加入6.5 kg锰 ,配料硅为0.886 ,去除烧损每批需要加入6 kg硅 ,配料碳为2.20 ,依靠热风冲天炉自身的增碳。

(5)严格按照冲天炉操作工艺进行操作。

1)控制好风量大小 ,观察开风后的风眼铁液情况和过桥的下铁时间。

2)控制好炉膛尺寸(风眼大小、倾斜角度及炉膛各部位的尺寸) 。

3)控制好前后炉烘烤干燥。

4)开炉过程中严密注意渣的情况(颜色、黏稠度) ,每小时放一次炉渣。

5)严密注意前炉盖上观察孔炉火的颜色 ,如颜色有变化 ,及时调整焦炭量的投放,正常情况下1 h补半车焦炭(大约30 kg) 。

6)加料要保持在加料平台上方 ,不能过低。

7)根据实际出铁的情况投放孕育剂 ,孕育剂分二次投放 ,第一次为在出铁槽随流倒入硅粒、硅钡和其他孕育剂 , 目 的是促进A型石墨、共晶团和珠光体的形成:再在浇注前第二次倒入孕育剂 ,第二次孕育是为了阻碍石墨化的衰退 ,保证A型石墨的形成和石墨不会粗大造成元素的偏析 。

8)出铁温度在包子内进行测量 ,测量温度大

于1 430 ℃ , 即经过铁水槽随流孕育后 ,包子内的铁液温度保持在1 430 ℃以上 ,等温度降至1 400 ℃ 再进到第二次孕育 ,然后浇注。

9)炉前控制 , 除了孕育以外 ,要以现场的碳硅分析仪作为参考并结合三角试片的白口现象 ,对铁液加入的孕育剂作适当调整。

10)浇注时 ,包子要高于浇口杯一定高度 ,增加适当压头 ,让型腔能够尽快充满铁液 ,浇注过程中应保持浇口杯里始终存在液面 ,包子内的垃圾要撇清 。除渣剂撒在铁液上能形成盖子 , 既能保持温度 ,又能吸收炉渣和氧化皮并及时点燃以利出气,让型腔形成负压 ,使得铁液顺利进入。

2 铸造工艺

(1)首先对产品零件进行技术条件及结构的工艺性分析 ,

如果认定产品设计上有不足和缺陷 ,及时和客户进行联系协商,然后开始工艺设计。

确定浇注位置和分型面 ,对五面体加工中心来说 ,有时不单单是一面有导轨和重要加工面 ,会有三面是导轨(五轴联动的加工中心) , 日本松浦机械的床身底座就是这种类型 ,这就需要判断哪个面是最主要、最容易发生问题的面 ,把这面放在底箱 ,依次类推 ,分型面按和侧面相交尽量少的部位来做 ,还要有利于设计浇注系统。确定了浇注位置和分型面 ,我们就可以设计浇注系统和砂型。

(2)浇注系统: 即铸型中引导铁液进入型腔的通道 ,生产中常常因为浇注系统设计安排不当而造成铸造缺陷。此外 ,浇注系统的好坏还影响造型后清理工作的繁简、砂型的体积大小和工艺出品率的高低 。因此 ,正确设计浇注系统对提高生产效率、降低铸件成本和保证铸件品质极其重要。

设计的浇注系统要满足以下原则:

1)控制好铁液的流动速度和方向 ,使其能平稳地充满铸型,尽量避免铁液絮流现象产生。

2)调节铸件上各部分的温度分布 , 能让主要的加工面先凝固。

3)浇注系统应有除渣作用 ,能阻挡夹杂物进入铸型型腔。

4)有一 定的补缩作用 ,一般是在内浇口凝固前补给部分的液态收缩。

5)保证铁液以最短的距离、最合宜的时间充满铸型 ,并保证金属液面在型腔内有合适的上升速度 , 以得到完好的铸件外表。

6)在保证铸件质量的前提下 ,浇注系统的设计要有利于减小冒口体积 , 结构应简单紧凑 , 以利提高铸型表面的利用率 ,也要方便工人操作和铸件的清理。

7)浇注系统的面积、各浇注环节的比例要安排恰当。各段浇注系统的设计比例按照半封闭半开放的形式 , 即F横 >F直 >F内, 内浇口的面积按照F内 = (cm2)来设计 ,G为铸件浇注重量(kg) ,μ为总流量的消耗系数 ,我们 目前五面体加工中心的铸件一般取0.45 ,1为浇注时间 ,Hp为平均静压头 ,基本上按合箱好工装高度的一半加1m高度 。浇注时间1用1=s√3G6 来计算 ,s一般取2.8~3.0 , 当需要快浇时选2.5~2.7 ,6为平均壁厚。F横 >F直 >F内 的比例一般为1.2:1. 1:1.0 ,下浇口分直浇口、横 浇口 , 内浇口被砂型包围的均用陶瓷浇道制作 , 内浇口除陶瓷浇道外尽量以扁平式浇口进入型腔。

8)在浇注系统中设立过滤网 ,根据铁液的流向尽可能将过滤网设置在横浇口截面或内浇口截面。

(3)砂型的设计:砂芯的数量及结构主要取决于铸件的结构,但在做工艺时 ,如考虑得当 ,仍然有可能使砂芯易于制造 ,且使下芯作业方便。

1)外模砂型的设计 ,首先要和浇注系统相匹配 ,另外外模尽量少做砂芯并固定在型板上 ,不能起模的地方拆活动做活动块 ,活动块也不能做的 ,那就考虑做砂芯 ,这样既可以保证产品外面的形状尺寸精度 ,也能减少由于砂芯和外模芯头形成的披缝 。 因为是人工下芯 ,有披缝间隙 ,所以砂芯和外模芯头是没有全部和外模一体的平整。下芯的精度是人为控制的 ,会因为人的原因而发生变化。

2)对于产品内部砂芯的设计一般尽量减少砂芯的数量 ,但对于复杂砂芯或尺寸比较大容易发生变形的砂芯可考虑分块制造 ,便于砂芯制作时的填砂揩砂 。选择合适的砂芯形状 ,使砂芯揩砂面宽广 ,尽量用砂芯头作揩砂面 ,尽量不在揩砂面上做活动块。

(4)铸造工艺的参数:

1)铸造工艺收缩率: 由于产品牌号较高 , 收缩比较大 ,一般收缩率在1.2%~1.4%。

2)铸造加工余量1 500~2 500 mm长度控制在下、侧7 mm ,上8 mm , 1 500 mm以下长度控制在下、侧5 mm ,上6~7 mm。

3)芯头披缝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)起模斜度按照国家标准做 , 内部筋条做正负起模。

(5)模型的制作:模型制作的工艺和材料直接影响到产品的精度和表面质量。所以 ,首先模型的结构外模为固定型板式的 , 四周拆活动用燕尾榫作定位。活动块的燕尾榫用硬木或电木制作 ,外模型板的底框用钢结构焊接后再铺木板 ,木板使用机器刨平后再铺15 mm以上的优质多层夹板。砂型盒的结构为套斗式,外框用钢结构或方钢木材组装而成 。为固定形状、防止变形 ,再垫入30 mm以上的垫板作为砂芯形状 ,砂芯外框形状做成倾斜状 ,斜度8° ,上大下小 ,便于脱模 。外模和砂芯盒所用的木料均为经过热处理后的木料 ,并要进行油漆封底 ,避免因木料受潮后引起的模型变形和尺寸变动 。根据上述要求做出的模型 ,寿命达到500件以上 , 能够保持产品精度和外表质量的稳定及前后一致性 ,保证了五面体机床厂加工时一 次性装夹的连续性。

3 型砂

我们采用以吠喃树脂为粘结剂的造型方法 , 原砂和粘结剂的使用及砂处理设备和混砂机的质量都决定了砂型的质量 ,决定了产品的外表质量和精度。

对于原砂 ,我们选择了含si02量较高的福建海砂 ,si02含量大于97% ,砂粒形状为接近圆形的多角形 ,选用的 目数为40~70目:吠喃树脂选用花王化学的优质吠喃树脂和粘结剂 ,吠喃树脂加入量为外模0.82% , 坭芯0.88%: 固化剂用花王生产的A、B泵调节:砂处理设备采用无锡锡南铸机生产的20 t砂处理设备:混砂机采用无锡锡南铸机生产的20 t混砂机一 台、10 t混砂机两台。

(1)型砂强度的确定 ,如表2所示。

(2)再生砂的技术标准:灼烧减量小于2.5% ,微粉含量小于0.2%。

4 工艺流程

工艺流程原理如图1所示。

5 结语

基于以上技术措施、工艺方法和技术标准 , 已生产出了大量优质五面体加工中心的大型铸件 ,客户多为日本的机床企业 ,如大限机械株式会社、津上机械株式会社、松浦机械株式会社、富士机械株式会社、OKK机械株式会社、富士机械株式会社 ,得到了客户的高度肯定 , 并用这些技术申请了几十项的发明专利。