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_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_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_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_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_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_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_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_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, _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%）

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_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_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。

（ 4） 充分考虑机床床身铸件本身的结构特点, 正确选取各项工艺参数, 合理调整铁液成分, _铁液温度, 做好各类缺陷的防止措施, _能够成功铸造大型机床床身。