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大型高档数控机床对铸件质量的要求 齐齐哈尔重型铸造有限责任公司 黑龙江1 6 1 0 0 5 柴树繁 一 、概述 机床是 国家基础装备 ，特别是数控机床 ，其制 造水平 的高低是衡 量一个 国家综合实 力的重要标 志。这些年来国外对我 国高精数控机床的技术封锁 一 直非 常严重 ，特 别是大型高端 数控机床很 难进 口，即使能进 口，价 格也非常 昂贵 。为 了打破 国 外的封锁 ，发展 自己的 民族企业 ，只有依靠 自主创 新。近几年 ，我国在数控机床技术研发上有了较大 的进步 ，并 已打破国外长期对我国高精机床技术封 锁的现状。 目前 ，我 国已经能够生产七轴联动重型 数控卧式加工 中心、五轴横粱移动式高速龙门铣削 中心 、五轴龙门加工 中心、五轴车铣中心 、五轴立 式叶片加工 中心，以及六轴五联动弧齿锥齿轮磨床 等产品 ，打破 了国外设备一统天下的局面 。 目前 ，我 公 司 自主 研 制 的D M V T 1 6 0 0 6 0 ／ 4 0 0L NC数 控 龙 门移 动 双 柱 立 式 车 床 、 DMV T M2 5 0 0 6 0 ／ 5 5 0 L NC 数控龙门移动式双柱 车铣床 见图1 ，是我国 目前最大的1 6 m、2 5 m双 柱立车 ，由于技术含量非常高，在国际上也只有几 个发达国家能生产 。HT m4 2 01 8 0 ／ 4 0 0 LNC 数 控重型卧式车床也是我 国目前大型数控重型卧式车 床之 一 。 图1 数控龙门移动式双柱车铣床 1 2_ 2 D w w ． me t o l w o r k 棼 l n l 咎 l 9 S馋O． c 班 o m 亭 造 参磊 ， 工 热 加 工 l ‘ ’ ⋯ ⋯ 。一 由于机床的结构件和许多主要部件都是以铸件 为坯料的 ，因此机床铸件的好坏 ，对机床的质量、 使用寿命、精度保持性都有重要的影 响。 大型数控机床对铸件的质量要求如下 1 较高的抗压强度与抗拉强度。 2 良好的精度保持性 。 3 高的弹性模量 。 4 良好的耐磨性 。 5 较好的减震性。 6 良好的切肖 0 性能。 7 良好的铸造性能。 8 较高的尺寸精度，较低的表面粗糙度 。 二、大型数控机床对铸件的技术要求 1 ． 大型数控机床技术指标 D MV T M2 5 0 0 6 0 ／ 5 5 0 LNC 数控龙门移动式 双 柱车铣床是 目前亚洲 最大的立式车 铣床 ，世界 上也 只有很少 几个 国家 能生产 ，其 最大车削直径 2 5 m、工作 台直径 1 0 m、最大 工件重量5 5 0 t 、最大 工件高度6 m；HT I I I 4 2 01 8 0 ／ 4 0 0 LNC 数控重型 卧式车床 见 图2 中心高2 ． 2 5 m、床身上最大工 件 回转 直径4 ． 2 m、两 顶尖 间最大 工件长度 1 8 m， 是 我 国 目前 最 大的 数 控 高技 术 立式 、卧式 机 床 之一 。 图2 数控重型卧式车床 2 ． 大型数控机床主要铸件及技术要求 1 横梁 、立柱 、床身、滑枕类铸件该类铸 件 的导轨 部分 ，精 度要求非 常高 ，导轨加 工后表 面粗糙度一般要求为R。 0 ． 8 m ，因此应使铸件 强度高 ，耐磨性好 ，加工后导轨硬度在 1 8 0 H B W以 上 ，导轨部位不能有任何铸造缺陷。特别是横梁 、 立柱类铸件 ，其材质牌号一般为HT 3 0 0 、HT 3 5 0 ， 载荷 l 1 ． 0 0 k N、挠度， 5 ． 5 mm。横梁 、立柱铸 件长度一般在8 ～1 5 m之间 ，浇注重量一般在2 5 ～ 7 0 t ，最重的立柱铸 件浇注重量为9 5 ． 3 t 。 目前 ，国 内生产数控桥式双龙门镗铣床的固定横梁最大的是 1 4 5 t 球墨铸铁件，其材质是Q T 6 0 0 3 。 2 工作台及其底座 、主轴箱体 、尾座体类 铸 件为 了保证铸 件精度 ，这些铸 件的 刚度必须 好 ，而且不能有大的缺陷 ，精度要求也 比较高。从 使用角度上看 ，机床铸件的刚度比其 强度更重要 。 计算表 明，即使达 到机床最大切削力，高牌号铸铁 件的抗压强度 、抗拉强度仍有较大的安全系数 ，但 却会出现因其刚度差 、抗变形能力不够 ，从而使强 力、高速切削的数控机床失去加工精度。因此 ，铸 件的刚度指标对现代数控机床很重要 ，即弹性模量 越大 ，材质抗变形能力越大 。 三、生产中的质量控制 1 ． 化学成分控制 保证大 型数控机床的精度要求铸件的硬度 ，加 工性能的稳定 。实践证明 ，保持铸件化学成分的稳 定是保证铸件硬度 、加工性能稳定的重要措施。对 于熔炼的铁液 ， S i 、Mn 含量 质量分数 波动均 不应超过 0 ． 1 ％， C的波动范围为 0 ． 0 5 ％。 另外 ，带导轨的机床铸件则加入Cu 、C r ，含量 为WC 一0 ． 6 ％、WC 一0 ． 3 ％。 2 ． 强度与碳当量控制 目前 ，数控 机 床 铸 件 大 多数 采 用 HT3 5 0 、 HT3 0 0 高强度灰铸铁 ，但是在提高铸件强度的同时 往往伴随着碳 当量的降低 ，收缩的增大 ，流动性的 降低，以及铸造性能的恶化 。因此在保证同一强度 下有较高的碳当量 ，或在同一碳当量下有较高的强 度是生产的关键。 目前采取的技术是在配料中增加 废钢的同时 ，采用熔炼高温优 质铁液配以强有力的 孕育措施等 ，则可在较高的碳当量下获得高的机械 强度 。又如在一定的碳 当量下 ，将S i ／ C从0 ． 4～0 ． 5 提高到0 ． 7 ～O ． 8 ，不仅可以提高机械强度还可增加 弹性模量 ，是控制化学成分尤其是碳当量 、保持强 度的同时具有优 良铸造性能的重要指标 ，也是避免 废品率上升及能源浪费的一项重要技术。 3 力学性能的控制 目前 ，我 国机床 主要铸件 如床身、工作台、 立柱、横梁等 一般采用HT 2 0 0 、HT 2 5 0 、HT 3 0 0 、 HT 3 5 0 四个牌号 。为 了保证铸件刚度，就要控制好 灰铸 铁的弹性 模量 ，提 高材 质抗变 形能力 。因为 铸铁 弹性模 量在强力切 肖 Ⅱ 下对数控 机床保持精 度 稳定性的作用越来越重要，弹性模量与强度有着密 切的关系，即强度越高 ，弹性模量也越高 如附表 所示。 灰铸铁弹性模量与强度的关系 抗拉强度 l 5 5 1 8 5 2 1 5 2 6 5 3 1 O 3 5 5 4 0 o O - b ／ M P a 弹性模量 1 O 3 ．5 l 1 1 ．7 1 2 O ． O l 2 9 ． 7 1 3 7．9 1 41 ． 4 1 4 4． 8 Eo ／ GPa 但 实际生产中，不能以强度的测试来代替弹性 模量的测试。因为即使是 同样的强度 ，弹性模数也 有高低之分。例如配料中的废钢量 ，渗碳的机制， 高温熔炼 ，孕育强化及化学成分中的S i ／ C k ，以及 金相组织 中的石墨数量 、大小等都是影响弹性模量 的重要因素 。 铸件在受 力时抗拉 强度越高 ，弹性模量 下降的 幅值越小 ，这也是高刚度机床要求铸铁更高强度的 原 因。通常机床铸件在使用中，其使用应力很少超 过抗拉强度的I ／ 4，铸件设计者往往用应力为1 ／ 4 抗 拉强度时的弹性模量来代替牌号的弹性模量 。 4 ． 尺寸精度 生产大型数控机床铸件一般采用树脂砂造型， 其铸件尺寸精度要求C T 8 ～CT 1 0 ，任意6 0 0 mm内 平面度1 ． 5 ram。我 国机床铸造厂绝大部分控制在 C T 9 ～CT 1 0 范 围内，6 0 0 mm内平面度 2 mm，少 部分达 I] C T 9 ，稳 定达NC T 8 的极少数 ，国外机床 铸件普遍达 I] C T 8 ，任意6 0 0 m m内平面度 1 mm。 下转第l 8 页 争跏 ⋯熟 1 3 冒口 浇注系统 冷却凝 固，缩短球形石墨的衰退过程 。 一 ＼ E 上 I ． 卜 l l ， 。 卜 ． J 、 下 一 一 ． 二 E - q ] 一 ＼ ＼ 亘一～ 图3 浇注位置 象 。缝 隙浇道如 图4 所示 ，内浇道厚度为1 0 mm，直 浇道直径为1 0 0 ram。 浇 内浇道 图4 铸造工艺示意 4 冒 口的设计由于主轴是立浇 ，上部需 要进行加高，满足在凝固过程中铸件的上部对下部 进行补缩的要求 ，工艺上将主轴上部加工量加大到 2 7 0 ram，目的就在于此。同时，该铸件的冒口与缝 隙浇道相类似 ，与铸型相连的部分为薄片状 ，然后 是梯形补缩 冒口部分 ，一直通到砂箱的外面 ，保证 了铸件的排气、集渣和补缩功能的实现。 5 冷铁的设计铸件材 质为QT6 0 0⋯3， 为保证铸 件的 质量 ，我们设计 了石墨冷铁 见图 4 ，放置在主轴外侧面 ，使铁液在型腔内能尽快 二、熔炼工艺 1 熔炼设备一台5 t 中频感应电炉 ，一个5 t 球化处理专用堤坝包，一台炉前光谱分析仪 ，以及 数字温度计和快速热电偶 。 2化学 成 分Wc 3 ． 2 ％ ～3 ． 6 ％、W s ， 一 0． 6 ％ ～0． 9 ％ 、 WM 0． 5 ％ ～0- 8 ％ 、 WP O． 07 ％ 、 Ws 0 ． 02 ％ 、 R E O ． 0 4％ ～0． 0 6 ％ 、 WM 0． 0 4％ ～ 0 ． 0 7 ％ 。 3 球 化剂的选择使用Y Mg 系球化 剂。 当此球化剂稀土含量为W 0 ． 0 4 ％～0 ． 0 6 ％时 ，加 入量约为 1 ． 6 ％。 4 孕育处理为细化组织 ，改善金属 的性 能 ，我们采 取了4 种孕育措施 包内孕育，7 5 Si F e 加入量0 ． 3 ％；随流孕育 ，7 5 S i F e J ／ W 入量0 ． 5 ％；浮硅 孕育，7 5 S i F e 加入量0 ． 2 ％；瞬时孕育，S i B a H 人量 0． 1 ％ 。 5 浇注温度 1 3 2 01 0℃。 三、生产效果 我公 司一共生产 了6 件毛坯 ，加 工后均能满足 设计要求 。 采用此工艺方案进行主轴生产 ，取得了很好的 效果 ，铸件未出现黑斑 、石墨漂浮等铸造缺陷 ，由 于是立起来进行浇注 ，且 圆周外围放置了专用石墨 冷铁 ，未 出现缩孔 、缩松等缺陷 ，同时满足 了加工 要求。 生产实践证 明，对于结构简单 、精度要求高的 主轴类铸件 ，可以采用平做立浇工艺方法，不但操 作简单 ，又能保证零件的精度 ，适合在生产中进行 推广应用。MW 2 0 1 1 0 3 0 8 上接第l 3 页 四、结语 5 _ 铸 件的时效处 理 在当前全球市场竞争 日益激 烈的环境下 ，打破 大型数控机床铸件高强度H T 3 5 0 、HT 3 0 0 已占 国外对我 国精密 、大型高端数控机床的封锁 ，只有 机床铸件主体 ，铸件的残余应力值也随强度增大而 不断提高我国高端装备制造的技 术水平 ，加大科技 升高 ，因此铸件的时效处理相当重要。 目前 ，机床 投入 ，切实推动科技 自主创新 ，加强人才的培养 ， 铸件的时效处理主要 有3 种 方法 一是热时效 ；二 增加产品的技术含量和市场价值 ，才能使我国从制 是振动时效 ；三是不热时效的低应力铸铁。 造大 国迈进制造强国。MW 2 0 1 1 0 3 1 6 1 8 耋 造 参 磊 工