機(jī)床床身鑄造工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)主枝和工作區(qū)之間的位置關(guān)系，加工中心通常分為傾斜加工中心和垂直加工中心。此床身用作立式加工中心床身，主要作用是承載機(jī)床床頭箱，工作臺(tái)等主要部件，為機(jī)床的各種運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)行軌道和良好的精度服務(wù)，其承重性和穩(wěn)定性要求較高，機(jī)床床身多采用鑄鐵。各種運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同大小頻率的震動(dòng)，為了能使機(jī)床精度不受各種震動(dòng)的影響，床身承載了吸震穩(wěn)定的作用。本文采用CREO對機(jī)床床身進(jìn)行三維建模，運(yùn)用ProCast軟件對鑄造過程進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，確定最佳的鑄造工藝路線以得到最優(yōu)的鑄件質(zhì)量。1輪廓尺寸與壁厚此零件的三維實(shí)體如圖1所示。該零件整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，螺紋孔與孔洞較多，結(jié)構(gòu)相互對稱，內(nèi)部為加強(qiáng)肋，空腔部分較多，零件上表面的兩條導(dǎo)軌為重要加工面，鑄造質(zhì)量要求高。整體輪廓尺寸為1985mm×1650mm×460mm，最小壁厚為18mm，主要壁厚25mm，壁厚相對均勻。使用CREO測量功能，金屬密度取7.3g/cm鑄件的材質(zhì)為HT250，為珠光體類型的灰鑄鐵，灰鑄鐵材料流動(dòng)性好，體收縮和線收縮小，易于鑄造，可鑄造出形狀復(fù)雜的鑄件，并具有良好的耐磨性和減振性，鑄鐵的內(nèi)摩擦大，阻尼作用強(qiáng)，故動(dòng)態(tài)剛性好，是傳統(tǒng)的床身結(jié)構(gòu)材料。2澆注方式及注意事項(xiàng)機(jī)床床身零件凈重1762.75kg，零件整體輪廓尺寸為1985mm×1650mm×460mm，屬于中型零件。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空腔較多，對于單件、小批量生產(chǎn)的中大型鑄件，不宜采用機(jī)械化流水線生產(chǎn)，采用手工造型的生產(chǎn)方式，并采用傳統(tǒng)的重力澆注方式來控制成本與鑄件的質(zhì)量考慮到灰鑄鐵凝固過程中會(huì)出現(xiàn)較大的體積膨脹，引起鑄型型腔的尺寸擴(kuò)大，影響鑄件輪廓尺寸精度與內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，需選取高強(qiáng)度的型砂與芯砂，除此之外還需考慮成本問題，在制作出符合要求的產(chǎn)品前提下，盡可能降低成本，本次工藝設(shè)計(jì)使用酸固化呋喃樹脂自硬砂鑄件尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但厚度較為均勻，采用同時(shí)凝固的凝固方式，因此澆注位置應(yīng)該設(shè)在鑄件薄壁處，且要數(shù)量多，分散布置，使金屬液快速均勻地充滿型腔，減少縮松、縮孔現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)合金凝固理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，綜合本次的鑄件材料為HT250，結(jié)構(gòu)與尺寸的關(guān)系，澆注時(shí)力求金屬液快速而平穩(wěn)地充滿型腔，采用結(jié)合底注式和頂注式兩方優(yōu)點(diǎn)的中注式澆注系統(tǒng)，并且采用水平傾注方式。2.1u2004鑄造的凝固方式確定灰鑄鐵含碳量高，接近共晶成分，故熔點(diǎn)比較低，流動(dòng)性良好，澆注溫度和含碳量對流動(dòng)性影響很大。由于本次鑄件為壁較薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的灰鑄鐵床身，確定為同時(shí)凝固的方式，并且灰鑄鐵在結(jié)晶凝固過程中會(huì)產(chǎn)生石墨化膨脹，應(yīng)該充分利用其膨脹，提高鑄件的補(bǔ)縮效果。因此，其澆注系統(tǒng)有兩個(gè)特點(diǎn)，既要大流量地輸送鐵液，又要有良好的擋渣作用2.2凝固模擬與數(shù)值模擬通過上述分析，鑄件澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及位置的示意圖如圖2所示。鑄造工藝對鑄件質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得鑄造過程中的充型和凝固兩個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)能夠在試模之前非常直觀地被模擬反應(yīng)出來。凝固模擬可以比較精確地預(yù)測縮松縮孔等缺陷，充型過程則可對因金屬液流動(dòng)引起的澆不足、冷隔、夾渣等缺陷進(jìn)行有效和準(zhǔn)確的預(yù)測，同時(shí)數(shù)值仿真模擬對優(yōu)化鑄造工藝方案提供了可靠的技術(shù)和理論依據(jù)。運(yùn)用CREO軟件進(jìn)行零件與澆注系統(tǒng)的三維建模，并利用ProCast對所設(shè)計(jì)的工藝進(jìn)行模擬，并對鑄件缺陷進(jìn)行分析，以此對原始的工藝進(jìn)行針對性的優(yōu)化。3模擬測試3.1網(wǎng)格劃分和質(zhì)量澆注將模型導(dǎo)入到ProCast軟件中，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分后進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢測，出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量較差或者網(wǎng)格交叉先進(jìn)行修復(fù)再進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，以保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量澆注時(shí)主要參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)置澆注溫度T=1380℃；型砂初始溫度T3.2結(jié)果和分析3.2.1內(nèi)澆道充型模擬金屬液在充型過程中的流動(dòng)對鑄件的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大的影響，若澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，鑄造中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生澆不足、冷隔、沖砂、卷氣等鑄造缺陷，利用ProCast模擬的金屬液充型過程可以判斷澆注系統(tǒng)能否滿足要求。圖4為鑄件金屬液充型過程。金屬液開始從內(nèi)澆道流入型腔，如圖4(a）所示。中間的四個(gè)內(nèi)澆道的金屬液從導(dǎo)軌附近，沿著導(dǎo)軌與中部向鑄型另一端流去，而從最外側(cè)的兩個(gè)內(nèi)澆道流入的金屬液流經(jīng)外壁與兩側(cè)上坡，如圖4(b）所示。當(dāng)金屬液流至鑄件的最遠(yuǎn)端后，金屬液將平穩(wěn)并快速地充型，并在澆注金屬液40.8s后充滿型腔，如圖4(c）、（d）所示。通過模擬結(jié)果得知，整個(gè)充型時(shí)間為40.8s，充型時(shí)間符合澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果（45s）。在充型過程中，金屬液在重力的作用下由澆口杯通過直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道，然后進(jìn)入了型腔，液面自下而上逐漸升高直至充滿型腔。由于內(nèi)澆口較多，間距較大，通過內(nèi)澆口的速度較低，使金屬液平穩(wěn)流入型腔，對型腔底部沖擊力較小，金屬液在流動(dòng)的過程中沿著型腔壁進(jìn)入型腔的頂部，不會(huì)對砂型造成較大沖擊，并且在充型過程中并不存在明顯卷氣現(xiàn)象。充型過程的溫度場可以看出金屬液的溫度降低比較慢，即使在鑄件邊緣，金屬液的溫度仍在液相線以上，對后期凝固補(bǔ)縮比較有利，金屬液充滿了型腔，因此也不會(huì)產(chǎn)生澆不足和冷隔等缺陷。3.2.2凝固時(shí)間的確定當(dāng)充型完畢后，為了分析后續(xù)凝固缺陷等鑄造問題，對凝固溫度場做進(jìn)一步的分析，圖5為鑄件金屬液凝固過程的溫度場變化。從圖5中可以看出零件凝固初期整體處于同時(shí)凝固狀態(tài)，凝固后期薄壁部分凝固優(yōu)先凝固，厚大部位最后凝固。金屬在高溫到低溫過程中會(huì)存在液態(tài)體收縮，整體體積將減小，而且在金屬凝固過程中，會(huì)發(fā)生凝固線收縮，易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷，但由于灰鑄鐵存在石墨化膨脹，會(huì)進(jìn)一步抵消冷卻產(chǎn)生的體積收縮，根據(jù)圖中金屬液的冷卻過程分析，零件未出現(xiàn)明顯缺陷，需要進(jìn)一步對零件的固相率進(jìn)行分析。3.2.3凝固結(jié)果分析由于在鑄件冷卻過程中厚大部位將產(chǎn)生熱節(jié)，容易出現(xiàn)縮松、縮孔等鑄造缺陷，因此對鑄件凝固的固相率變化過程進(jìn)行分析，以此分析熱節(jié)可能產(chǎn)生的部位，將全部熱節(jié)通過優(yōu)化來消除，一般是在熱節(jié)部位附近放入冷鐵，通過加速傳熱來消除熱節(jié)。圖6為床身鑄件凝固的固相率變化過程。通過對鑄件的固相率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)整體接近同時(shí)凝固，只有鑄件底部直角接觸部位稍慢于整體，這些地方如果無法得到及時(shí)補(bǔ)縮，那么在鑄件最后凝固處就會(huì)形成縮孔。但是由于該鑄件壁厚基本均勻，厚大部位相對較薄，此鑄件的石墨化膨脹大于收縮，所以厚大部位未出現(xiàn)缺陷。3.2.4鑄造缺陷分析缺陷分析主要以縮松、縮孔、凹陷或塌陷為主，利用ProCast軟件對于澆注后鑄件縮孔、縮松、凹陷和塌陷進(jìn)行分析，并根據(jù)模擬情況進(jìn)行合理優(yōu)化。經(jīng)過模擬分析后，出現(xiàn)的鑄造缺陷如圖7所示。圖7(a）中由于金屬的液態(tài)補(bǔ)縮不足，鑄件上的六圓孔其中一個(gè)孔旁出現(xiàn)了凹陷，其余部分并未發(fā)現(xiàn)塌陷或凹陷現(xiàn)象。而從圖7(b）中可以明顯看出接近澆注系統(tǒng)的部位，零件表面出現(xiàn)了多處縮孔。3.2.5排氣孔模擬分析根據(jù)模擬結(jié)果分析，需要對鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，以消除鑄件凝固存在的缺陷。為了改善金屬的液態(tài)補(bǔ)縮不足，消除凹陷等問題，在鑄件上表面加上多個(gè)排氣孔，并且加粗排氣孔的直徑，以提高液態(tài)補(bǔ)縮能力，初次優(yōu)化后鑄件的模型如圖8所示。經(jīng)過優(yōu)化后的方案進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果缺陷如圖9所示。通過對模擬結(jié)果的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)還存在部分問題。根據(jù)圖9(a）可以看出加上排氣孔后，孔邊凹陷消失，已無凹陷缺陷；從圖9(b）可以看出鑄件靠近澆注系統(tǒng)的部分縮孔大幅度減少。對模擬結(jié)果進(jìn)行切片分析發(fā)現(xiàn)，圖9(d)～(f）中鑄件內(nèi)部分位置存在縮孔缺陷。3.2.6鑄造工藝的補(bǔ)縮由于初次優(yōu)化還存在部分問題，現(xiàn)進(jìn)行鑄造工藝的二次優(yōu)化。為了改善鑄件內(nèi)部縮孔問題，提高補(bǔ)縮的重點(diǎn)是冒口類型的選擇和尺寸的計(jì)算。冒口的主要作用是在鑄件成形過程中提供由于體積變化所需要補(bǔ)償?shù)慕饘僖海苑乐乖阼T件中出現(xiàn)的收縮類型缺陷。對于灰鑄鐵件冒口尺寸的確定，可以采用壓邊冒口設(shè)計(jì)方法3.2.7隧道的形狀和位置冒口形狀尺寸與位置如圖10所示。3.2.8缺陷的切片分析零件加上排氣孔和冒口后，再次對鑄件進(jìn)行模擬，二次優(yōu)化后鑄件的模型如圖11所示。經(jīng)過優(yōu)化后的方案進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果缺陷如圖12所示。根據(jù)此次模擬結(jié)果可知，加上壓邊冒口后，不但凹陷問題消失，而且縮孔缺陷也隨之消失，結(jié)果見切片分析，如圖12(c)～(