机床床身铸件铸造工艺的开发与设计

机床床身铸件铸造工艺的开发与设计

李俊民 马剑峰

陕西龙门钢铁有限责任公司 715405

摘要：近年来，我国工业建设发展非常迅速，推动我国整体经济建设的快速发展。床身是机床支撑的重要大型部件，起着承上启下的作用，对上承载着机床的各个功能部件，对下采用螺栓与地基固定连接。过去的床身设计主要采用类比法和经验法，没有科学理论数据作支撑，只有通过负重试验、负荷切削试验及精度检验等，间接地反映床身地脚螺栓连接部分的刚性。

关键词：机床床身铸件铸造工艺；开发与设计

引言

科学技术的快速发展给予了我国各行业更大的发展空间，使得我国提前进入现代化科学技术发展阶段。对机床进行优化的铸件铸造工艺的开发与设计，使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用，一直都是机床设计工作者追求探索的目标。

1砂芯的设计

由于导轨面朝下，砂芯设计时没有下芯头进行定位，砂芯全部采用芯撑的方式来支撑，而在铸件的上表面均开设有窗口，因此可以利用该窗口进行芯头的定位设计。在砂芯的设计上应满足芯子便于固定和排气、便于下芯及测量尺寸、有平整的填砂面和参考面、芯子的形状及尺寸应满足公差要求等等。内腔均采用呋喃树脂作为砂芯的制芯材料，砂芯的分芯面尽量与砂型的分型面一致，起模斜度也与外模的斜度一致，以保证砂芯和砂型之间所形成的壁厚均匀，减少铸件飞皮，同时也有利于砂芯的排气。内腔所有砂芯的设计均为四周开模，上部芯头处填砂，局部起模受限处考虑活块抽芯的方式，芯头采用垂直芯头并按照《铸造工艺手册》进行设计。

2浇注系统类型的选择

灰铸铁含碳量高，接近共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，浇注温度和含碳量对流动性影响很大。由于本次铸件为壁较薄、结构复杂的灰铸铁床身，确定为同时凝固的方式，并且灰铸铁在结晶凝固过程中会产生石墨化膨胀，应该充分利用其膨胀，提高铸件的补缩效果。因此，其浇注系统有两个特点，既要大流量地输送铁液，又要有良好的挡渣作用。根据本次铸件分型面和浇注位置的设计，既要考虑充型能力与补缩能力，又要考虑造型方便程度，故优先选取中注式浇注系统。并且由于半封闭式浇注系统充型平稳、冲刷力小且具有一定的挡渣能力，所以浇注系统采用半封闭式。

3激光相变强化技术简介

激光相变硬化技术是表面淬火处理技术的一种，是利用激光加热金属材料表面，达到材料相变点，促使激发态的电子与晶格或其他电子碰撞，将材料表面局部的热量迅速向内部传递，形成极高的冷却速度，使奥氏体迅速转变为马氏体，从而达到材料表面硬化目的。激光相变强化技术具有如下特点：由于激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率，使得工件被激光照射区迅速升温，热效率较高；激光相变硬化技术作业时能够实现自冷却效果，无需淬火液冷却也无需回火；使材料表面硬化的同时，硬化层内残留有一定的压应力，进一步增加了材料表面的疲劳强度；由于激光表面淬火速度快，进入工件材料内部的热量少，因此热变形较小，约为感应淬火强化方式的1/3-1/10。因此，该技术具有高效节能、操作简便、安全环保等优点。激光表面相变强化技术解决了许多常规热处理工艺无法解决的难题，已大量应用于汽车、模具、五金以及机械制造等行业。激光相变技术（激光淬火）理论研究表明：激光与材料相互作用的内部效应主要是在快速加热和快速冷却下的热扩散效应造成的温度梯度形成的结果。热扩散效应是指由温度梯度引起的在金属及合金材料内发生原子迁移的现象。因为温度梯度的存在，在激光作用下的金属内部在一定深度里产生几个不同组织结构的区域，这些区域的深度、硬度和性能会随温度梯度分布的变化而各不相同。

4修正参数

将修正过的弹簧刚度代入有限元模型中进行重新计算，修正后的计算模态从计算机呈现的模态振型上看，前4阶的试验模态振型均能完全匹配计算模态振型;从固有频率上看，前4阶试验和计算的模态固有频率相差不超过13．6%，使仿真模型计算精度得到较大的提高。

5补缩系统的设计

床身铸件壁厚差异较大，存大过多的热节位置，因此需要设计冒口来对铸件进行补缩。铸件的收缩值是不确定的，不能根据合金的种类和牌号给出一个确定的收缩值来决定冒口的尺寸。其收缩不仅和成分、浇注温度有关，还和铸件的大小、结构、壁厚、铸型的种类有关。床身铸件为灰铁件，一方面可以设计冒口来补缩，另一方面也要充分利用石墨化膨胀自补缩，冒口只能起到补充自补不足的差额，为此铸件的冒口没必要非得晚于铸件热节点的凝固，也就是说冒口的模数也可以小于铸件的模数。床身铸件热节点主要分布在十字筋交叉处，根据铸件的结构和个人经验，将十字交叉筋进行对比筛选，其中共有15处为厚大位置需要冒口进行补缩。冒口的设置点应稍为偏离十字交叉点热节处，冒口类型为顶缩颈冒口。通过模数法进行计算冒口的直径为150mm，高度为250mm，而冒口颈的直径为80mm，高度设计为60mm.

6未来研究方向

1.结构与材料相结合实现轻量化设计。材料轻量化与机床结构轻量化同样为机床轻量化的重要方法。随着材料科学的进一步发展，将两种轻量化方法融合，降低构型轻量化过程中材料性能约束，在构件中使用各向异性的复合材料甚至在同一构件中使用多种材料实现结构构型轻量化是必然的发展趋势。2.增材制造下，传统制造约束的减少和新工艺制造约束的出现而研发新的轻量化结构。传统轻量化设计中，受到制造工艺的约束，例如，铸造的床身等零件其最小筋板厚度约束条件，在增材制造条件下将不再是必须要满足的约束条件。制造手段的进步使得机床构型设计探索空间增大，轻量化构型设计方案将增多。3.机床功能变化带来新的轻量化结构件和构型需求。机床已经从传统的金属切削加工机床已经发展到“三束”加工普及；从数控机床到超精密加工机床；从串联机床发展到并联机床；从单独功能机床发展到控制、机器人集成的一体化加工中心。机床工作空间、加工性质的变化，使得机床的构型设计必须变化才能满足性能要求。无论是结构轻量化设计数学模型还是轻量化数值计算和优化算法方法，都需更具机床结构和功能特性进行重点研究，使得轻量化设计在工程应用上取得重大突破。

结语

根据优化的工艺方案进行首件铸造生产，经过探伤，铸件质量符合用户的要求；力学性能、金相组织等检测，符合标准的要求；首件尺寸验证除床身体中间部位有小于挠度变形，且在加工余量范围内，铸件生产的检验结果均满足客户的技术要求。目前很多产品已实现批量订货市场，全部通过了用户的验收。

参考文献

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