機(jī)床床身鑄件的殘余應(yīng)力研究

時(shí)間:2019-07-24 15:08 作者:東建鑄造 點(diǎn)擊:
高精度的數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)床的重要標(biāo)志,其高精度指零部件的加工精度及其穩(wěn)定性高,這要求機(jī)床鑄件有較低的鑄造應(yīng)力和良好的尺寸精度穩(wěn)定性。但床身鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般導(dǎo)軌較長(zhǎng),壁厚差較大,在凝固、冷卻過程中由于溫度場(chǎng)不均勻,容易產(chǎn)生熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、組織應(yīng)力等而導(dǎo)致變形,嚴(yán)重影響其尺寸精度及保持性。然而,近年來關(guān)于機(jī)床鑄件的殘余應(yīng)力及尺寸穩(wěn)定性的研究報(bào)道很少,因鑄件的殘余應(yīng)力引起的變形甚至開裂成為鑄造行業(yè)的共性技術(shù)問題之一。
床身鑄件采用水平阻流設(shè)計(jì),橫澆道內(nèi)流體速度較大,末端延長(zhǎng)段斜度較小,不能壓實(shí)流體,液體容易卷氣,導(dǎo)致氣體進(jìn)入導(dǎo)管和型腔,且水平阻流導(dǎo)致紊流傾向增加,充型不平穩(wěn),排渣效果差,鑄件容易形成氣孔和夾渣,造成應(yīng)力不平衡,在后續(xù)的加工中容易引起變形。
床身導(dǎo)軌的溫度場(chǎng)比其他部位大,且距離澆道越遠(yuǎn)、壁厚越大處溫度越高,越容易產(chǎn)生熱應(yīng)力;鑄件底部方孔附近和扁冒口位置溫度場(chǎng)都比較低,凝固速度較快,冒口基本不能起到補(bǔ)縮作用,只是起到排氣作用;鑄件上箱鐵液凝固較快,原因是方口位置和芯子接觸,熱傳導(dǎo)系數(shù)大,冷卻較快;而下箱床身導(dǎo)軌凝固較慢,且由于存在較大的壁厚差,溫度分布不均勻,凝固時(shí)間相差較大,容易產(chǎn)生相變應(yīng)力和組織應(yīng)力。
在澆道上出現(xiàn)縮松缺陷,但不影響鑄件的質(zhì)量;床身的橫導(dǎo)軌、豎導(dǎo)軌、節(jié)點(diǎn)等溫差較大之處也出現(xiàn)縮松,容易引起收縮應(yīng)力,可通過放置冷鐵使鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固或利用內(nèi)澆道的補(bǔ)縮作用加以減小、消除。床身的橫導(dǎo)軌有明顯的彎曲變形,導(dǎo)軌根部受到的拉應(yīng)力比較大,約160~180MPa,應(yīng)力集中也比較大,需要后續(xù)的組合時(shí)效處理來消除;導(dǎo)軌面上受壓應(yīng)力,約-70~180MPa;豎導(dǎo)軌較短,應(yīng)力相對(duì)較小,拉應(yīng)力約14~26MPa,壓應(yīng)力約-27~52MPa,因此變形也較小。
受床身鑄件結(jié)構(gòu)的影響,所測(cè)位置的殘余應(yīng)力多為壓應(yīng)力,測(cè)量值基本都在數(shù)值模擬所預(yù)測(cè)的范圍之內(nèi);床身鑄件在200℃和500℃下打箱后的較大殘余應(yīng)力分別為-95.7MPa和-172.9MPa,后者明顯比前者大,較低的打箱溫度有利于減小鑄件的殘余應(yīng)力;球鐵滑枕鑄件粗加工前的較大殘余應(yīng)力為-65.5MPa(比灰鑄鐵床身鑄件小),由于機(jī)械加工容易產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,粗加工后的較大殘余應(yīng)力為-156.5MPa,明顯增大。
超長(zhǎng)床身的鑄造一般采用地坑造型,其工藝設(shè)計(jì)及過程控制需要注意以下幾個(gè)方面:
1)收縮率的控制
床身的收縮率一般長(zhǎng)度方向取1.0%,寬度方向取0.8,高度方向取0.5%,考慮到脹箱等因素,寬度方向可以不留縮尺,甚至可以考慮將模樣尺寸人為減小,以保證鑄件的凈尺寸在出件后符合要求。
2)留反變形量
根據(jù)鑄件導(dǎo)軌的長(zhǎng)度不等,導(dǎo)軌面上需要留凸起的反變形量5~25mm。當(dāng)床身長(zhǎng)度小于五米時(shí),每一米鑄件留1~2mm反變形量,當(dāng)床身長(zhǎng)度大于五米時(shí),每一米鑄件留反變形量1.5~2.5mm。有些床身的結(jié)構(gòu)由于很不均勻,可能還會(huì)出現(xiàn)側(cè)方向的彎曲,因此也需要在導(dǎo)軌側(cè)面甚至整個(gè)床身側(cè)面上都要留反變形量。
3)加工余量的預(yù)留
為了保證超長(zhǎng)床身余量足夠,一般在反變形量的基礎(chǔ)上還需要再留一定的加工余量,加工余量不宜太大,不然加工完后導(dǎo)軌面會(huì)出現(xiàn)硬度不夠的狀況,一般留10一20mm。
4)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
床身的澆注方式都是把導(dǎo)軌放在下面,鐵水從床身兩端由導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向進(jìn)入,長(zhǎng)度特別長(zhǎng)的床身導(dǎo)軌可以采用底返雨淋澆注系統(tǒng),采用這種方式可以保證鐵水的流程不會(huì)太長(zhǎng),能有效防止出現(xiàn)砂眼、疏松、氣孔、裂紋等鑄造缺陷,保證床身的導(dǎo)軌上不存在影響床身使用性能的氣孔、砂眼等鑄造缺陷。
5)冒口的設(shè)計(jì)
床身的冒口形式以采用耳冒口居多,在厚大的部位要用冷鐵進(jìn)行包敷,為防止形成接觸熱節(jié),冒口的放置位置還應(yīng)避開厚大的部位。
6)模板的設(shè)計(jì)
長(zhǎng)度較長(zhǎng)床身的模板可做成2至3段,每段之間采用用燕尾銷來連接。如果不用外模純粹用砂芯組合起來的話,需要人為的將形成外型的砂芯分成幾段,以便于制芯、下芯操作的方便。
超長(zhǎng)床身的鑄造要充分考慮零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),合理的選取各種工藝參數(shù),正確調(diào)整鐵水的配方并保證鐵水的溫度,這樣就可以將床身成功的鑄造出來。
4結(jié)論
(1)水平阻流設(shè)計(jì)充型不平穩(wěn)、有紊流傾向、容易卷氣、不利于排渣,可采用去除阻流片設(shè)計(jì)優(yōu)化澆注系統(tǒng)。
(2)床身鑄件溫度場(chǎng)分布不均勻,上箱凝固比下箱快,床身導(dǎo)軌及節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、組織應(yīng)力,鑄件上出現(xiàn)縮松缺陷也易引起收縮應(yīng)力。
(3)床身橫導(dǎo)軌有較大的殘余應(yīng)力:拉應(yīng)力160~180MPa,壓應(yīng)力-70~-180MPa;豎導(dǎo)軌的殘余應(yīng)力相對(duì)較小:拉應(yīng)力14~26MPa,壓應(yīng)力-27~-52MPa;床身在長(zhǎng)度方向變形量較大,在寬度和高度方向的變形量較小,沒有發(fā)生撓曲變形。
(4)盲孔法測(cè)量的殘余應(yīng)力結(jié)果與數(shù)值模擬基本相符,灰鑄鐵件的殘余應(yīng)力比球墨鑄鐵件大,較低的打箱溫度有利于減小殘余應(yīng)力,而粗加工容易增大殘余應(yīng)力。
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滄公備:13090002006124