机床床身铸造工艺设计

机床床身铸造工艺设计

根据主枝和工作区之间的位置关系，加工中心通常分为倾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，主要作用是承载机床床头箱，工作台等主要部件，为机床的各种运动提供运行轨道和良好的精度服务，其承重性和稳定性要求较高，机床床身多采用铸铁。各种运动会产生不同大小频率的震动，为了能使机床精度不受各种震动的影响，床身承载了吸震稳定的作用。本文采用CREO对机床床身进行三维建模，运用ProCast软件对铸造过程进行数值模拟，预测可能出现的铸造缺陷，确定最佳的铸造工艺路线以得到最优的铸件质量。1轮廓尺寸与壁厚此零件的三维实体如图1所示。该零件整体结构较为复杂，螺纹孔与孔洞较多，结构相互对称，内部为加强肋，空腔部分较多，零件上表面的两条导轨为重要加工面，铸造质量要求高。整体轮廓尺寸为1985mm×1650mm×460mm，最小壁厚为18mm，主要壁厚25mm，壁厚相对均匀。使用CREO测量功能，金属密度取7.3g/cm铸件的材质为HT250，为珠光体类型的灰铸铁，灰铸铁材料流动性好，体收缩和线收缩小，易于铸造，可铸造出形状复杂的铸件，并具有良好的耐磨性和减振性，铸铁的内摩擦大，阻尼作用强，故动态刚性好，是传统的床身结构材料。2浇注方式及注意事项机床床身零件净重1762.75kg，零件整体轮廓尺寸为1985mm×1650mm×460mm，属于中型零件。由于结构复杂，空腔较多，对于单件、小批量生产的中大型铸件，不宜采用机械化流水线生产，采用手工造型的生产方式，并采用传统的重力浇注方式来控制成本与铸件的质量考虑到灰铸铁凝固过程中会出现较大的体积膨胀，引起铸型型腔的尺寸扩大，影响铸件轮廓尺寸精度与内部质量和表面质量，需选取高强度的型砂与芯砂，除此之外还需考虑成本问题，在制作出符合要求的产品前提下，尽可能降低成本，本次工艺设计使用酸固化呋喃树脂自硬砂铸件尺寸较大，结构复杂，但厚度较为均匀，采用同时凝固的凝固方式，因此浇注位置应该设在铸件薄壁处，且要数量多，分散布置，使金属液快速均匀地充满型腔，减少缩松、缩孔现象的发生。根据合金凝固理论和实际经验，综合本次的铸件材料为HT250，结构与尺寸的关系，浇注时力求金属液快速而平稳地充满型腔，采用结合底注式和顶注式两方优点的中注式浇注系统，并且采用水平倾注方式。2.1u2004铸造的凝固方式确定灰铸铁含碳量高，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2.2凝固模拟与数值模拟通过上述分析，铸件浇注系统结构及位置的示意图如图2所示。铸造工艺对铸件质量有着关键性的作用，而且随着计算机技术的发展，使得铸造过程中的充型和凝固两个关键性环节能够在试模之前非常直观地被模拟反应出来。凝固模拟可以比较精确地预测缩松缩孔等缺陷，充型过程则可对因金属液流动引起的浇不足、冷隔、夹渣等缺陷进行有效和准确的预测，同时数值仿真模拟对优化铸造工艺方案提供了可靠的技术和理论依据。运用CREO软件进行零件与浇注系统的三维建模，并利用ProCast对所设计的工艺进行模拟，并对铸件缺陷进行分析，以此对原始的工艺进行针对性的优化。3模拟测试3.1网格划分和质量浇注将模型导入到ProCast软件中，并对其进行网格划分，在网格划分后进行网格质量检测，出现网格质量较差或者网格交叉先进行修复再进行体网格的划分，以保证网格划分的质量浇注时主要参数设置如下：设置浇注温度T=1380℃；型砂初始温度T3.2结果和分析3.2.1内浇道充型模拟金属液在充型过程中的流动对铸件的质量会产生很大的影响，若浇注系统设计不合理，铸造中经常会产生浇不足、冷隔、冲砂、卷气等铸造缺陷，利用ProCast模拟的金属液充型过程可以判断浇注系统能否满足要求。图4为铸件金属液充型过程。金属液开始从内浇道流入型腔，如图4(a）所示。中间的四个内浇道的金属液从导轨附近，沿着导轨与中部向铸型另一端流去，而从最外侧的两个内浇道流入的金属液流经外壁与两侧上坡，如图4(b）所示。当金属液流至铸件的最远端后，金属液将平稳并快速地充型，并在浇注金属液40.8s后充满型腔，如图4(c）、（d）所示。通过模拟结果得知，整个充型时间为40.8s，充型时间符合浇注系统的设计结果（45s）。在充型过程中，金属液在重力的作用下由浇口杯通过直浇道、横浇道和内浇道，然后进入了型腔，液面自下而上逐渐升高直至充满型腔。由于内浇口较多，间距较大，通过内浇口的速度较低，使金属液平稳流入型腔，对型腔底部冲击力较小，金属液在流动的过程中沿着型腔壁进入型腔的顶部，不会对砂型造成较大冲击，并且在充型过程中并不存在明显卷气现象。充型过程的温度场可以看出金属液的温度降低比较慢，即使在铸件边缘，金属液的温度仍在液相线以上，对后期凝固补缩比较有利，金属液充满了型腔，因此也不会产生浇不足和冷隔等缺陷。3.2.2凝固时间的确定当充型完毕后，为了分析后续凝固缺陷等铸造问题，对凝固温度场做进一步的分析，图5为铸件金属液凝固过程的温度场变化。从图5中可以看出零件凝固初期整体处于同时凝固状态，凝固后期薄壁部分凝固优先凝固，厚大部位最后凝固。金属在高温到低温过程中会存在液态体收缩，整体体积将减小，而且在金属凝固过程中，会发生凝固线收缩，易产生缩松、缩孔等缺陷，但由于灰铸铁存在石墨化膨胀，会进一步抵消冷却产生的体积收缩，根据图中金属液的冷却过程分析，零件未出现明显缺陷，需要进一步对零件的固相率进行分析。3.2.3凝固结果分析由于在铸件冷却过程中厚大部位将产生热节，容易出现缩松、缩孔等铸造缺陷，因此对铸件凝固的固相率变化过程进行分析，以此分析热节可能产生的部位，将全部热节通过优化来消除，一般是在热节部位附近放入冷铁，通过加速传热来消除热节。图6为床身铸件凝固的固相率变化过程。通过对铸件的固相率进行分析，发现整体接近同时凝固，只有铸件底部直角接触部位稍慢于整体，这些地方如果无法得到及时补缩，那么在铸件最后凝固处就会形成缩孔。但是由于该铸件壁厚基本均匀，厚大部位相对较薄，此铸件的石墨化膨胀大于收缩，所以厚大部位未出现缺陷。3.2.4铸造缺陷分析缺陷分析主要以缩松、缩孔、凹陷或塌陷为主，利用ProCast软件对于浇注后铸件缩孔、缩松、凹陷和塌陷进行分析，并根据模拟情况进行合理优化。经过模拟分析后，出现的铸造缺陷如图7所示。图7(a）中由于金属的液态补缩不足，铸件上的六圆孔其中一个孔旁出现了凹陷，其余部分并未发现塌陷或凹陷现象。而从图7(b）中可以明显看出接近浇注系统的部位，零件表面出现了多处缩孔。3.2.5排气孔模拟分析根据模拟结果分析，需要对铸造工艺进行优化，以消除铸件凝固存在的缺陷。为了改善金属的液态补缩不足，消除凹陷等问题，在铸件上表面加上多个排气孔，并且加粗排气孔的直径，以提高液态补缩能力，初次优化后铸件的模型如图8所示。经过优化后的方案进行模拟，模拟结果缺陷如图9所示。通过对模拟结果的观察和分析，发现还存在部分问题。根据图9(a）可以看出加上排气孔后，孔边凹陷消失，已无凹陷缺陷；从图9(b）可以看出铸件靠近浇注系统的部分缩孔大幅度减少。对模拟结果进行切片分析发现，图9(d)～(f）中铸件内部分位置存在缩孔缺陷。3.2.6铸造工艺的补缩由于初次优化还存在部分问题，现进行铸造工艺的二次优化。为了改善铸件内部缩孔问题，提高补缩的重点是冒口类型的选择和尺寸的计算。冒口的主要作用是在铸件成形过程中提供由于体积变化所需要补偿的金属液，以防止在铸件中出现的收缩类型缺陷。对于灰铸铁件冒口尺寸的确定，可以采用压边冒口设计方法3.2.7隧道的形状和位置冒口形状尺寸与位置如图10所示。3.2.8缺陷的切片分析零件加上排气孔和冒口后，再次对铸件进行模拟，二次优化后铸件的模型如图11所示。经过优化后的方案进行模拟，模拟结果缺陷如图12所示。根据此次模拟结果可知，加上压边冒口后，不但凹陷问题消失，而且缩孔缺陷也随之消失，结果见切片分析，如图12(c)～(