羅澤碧

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立澆底注底部雨淋澆筑對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床滑枕鑄造性能的影響*

羅澤碧

（貴陽學(xué)院化學(xué)與信息工程學(xué)院，貴州貴陽550005）

摘 要：高檔數(shù)控機(jī)床高性能、高質(zhì)量和機(jī)床零件制造水平與工藝存在密切相關(guān)性，而數(shù)控機(jī)床中的一個(gè)大件就是滑枕，滑枕的制造工藝在很大程度上影響著數(shù)控機(jī)床的性能與精度。而且作為一種大型鑄鐵件，滑枕在實(shí)際生產(chǎn)制造中很容易發(fā)生縮孔、裂紋以及念砂等問題。為此，本研究為設(shè)計(jì)高檔數(shù)控機(jī)床滑枕鑄造工藝，采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)滑枕鑄造工藝進(jìn)行模擬，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化，不斷提升高檔數(shù)控機(jī)床滑枕鑄造水平，同時(shí)探究高檔數(shù)控機(jī)床滑枕鑄造中立澆底柱底部雨淋澆筑對(duì)其性能的影響，以此為類似的機(jī)床鑄件生產(chǎn)與制造提供有效借鑒。

關(guān)鍵詞：立澆底注底部雨淋澆筑；高檔數(shù)控機(jī)床；滑枕；鑄造性能

為使高檔數(shù)控機(jī)床滑枕實(shí)際鑄造工藝水平得以不斷提升，本研究分析與探討滑枕結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，同時(shí)設(shè)計(jì)出滑枕鑄造工藝，與ProCASE軟件相結(jié)合，模擬分析其實(shí)際充型過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選擇立澆底注底部雨淋澆注，與冷鐵、出氣冒口的設(shè)置相結(jié)合，有助于滑枕鑄造充型效果的全面提升，同時(shí)消除縮松與縮孔等缺陷，使滑枕鑄件質(zhì)量得以不斷提升，具體研究?jī)?nèi)容如下：

1 高檔數(shù)控機(jī)床滑枕的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)分析

依照實(shí)際鑄造過程和滑枕鑄件本身所具有的性能需求，該研究對(duì)QT600-3牌號(hào)的球墨鑄鐵進(jìn)行選擇，并將其當(dāng)作滑枕鑄造所需材料，同時(shí)依照鑄件的壁厚需求，將75%Si硅鐵合金當(dāng)作滑枕鑄造中的孕育劑，以使石墨核心的形成效果進(jìn)行不斷提升。高檔數(shù)控機(jī)床滑枕材料的成分見表1。

表1 高檔數(shù)控機(jī)床滑枕材料的成分（%）Tab.1 Composition of high-end CNC machine tools ram material（%）

該研究所用滑枕鑄造為3 880 mm×470 mm× 520 mm的外形尺寸，屬于柱形殼體鑄件，該鑄件的重量為2 651 Kg，4.5 t的澆注鐵水使用量，鑄件壁厚最大值為100 mm，鑄件壁厚最小值為35 mm，高檔數(shù)控機(jī)床滑枕鑄件存在比較復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，內(nèi)含彼此連通腔體9個(gè)，圖1為高檔數(shù)控機(jī)床滑枕三維實(shí)體圖。

圖　1 高檔數(shù)控機(jī)床滑枕三維實(shí)體圖Fig.1 The high-end CNC machine tools ram dimensional solid modeling

2 高檔數(shù)控機(jī)床滑枕鑄造工藝的設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)高檔數(shù)控機(jī)床滑枕澆注方案

該研究存在相對(duì)比較龐大的滑枕鑄件，而且存在較高的鑄件質(zhì)量要求，本研究考慮到高檔數(shù)控機(jī)床滑枕存在較大的臥澆定位難度，再加上臥澆最終凝固面位于滑枕大面，很難確?；眄敹嗣婀に囈螅?，本研究選擇立澆半封閉的方式澆注，選擇底部注入雨淋式的澆注方法實(shí)現(xiàn)滑枕澆注，由此就有助于充型平穩(wěn)性能的提升，降低金屬液氧化率，同時(shí)也有助于熔渣粘附率的降低，提升高檔數(shù)控機(jī)床滑枕澆補(bǔ)縮效果［1］。砂型內(nèi)冷卻成型過程中，會(huì)在很大程度上影響到鑄件的質(zhì)量，而且逐漸在最佳狀態(tài)下進(jìn)行冷卻，有助于確保鑄件韌性和強(qiáng)度與出型要求相符合，若冷卻時(shí)間與要求不相符，那么就極易造成鑄件出現(xiàn)形變或者裂紋等缺陷。而實(shí)際冷卻時(shí)間和鑄件厚度、質(zhì)量以及材料等存在直接相關(guān)性，而本研究高檔數(shù)控機(jī)床滑枕冷卻時(shí)間在25 h。

2.2 高檔數(shù)控機(jī)床滑枕澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 滑枕澆注時(shí)間

因?yàn)榛肀旧頌榇笮丸T件，所以，其具體澆注時(shí)間計(jì)算公式應(yīng)該選擇在該公式中，S1表示系數(shù)，該系數(shù)在底部注入中的實(shí)際取值范圍是1.7～1.9，在該實(shí)際中將S1定為1.7；δ表示壁厚平均值，單位為mm，本研究中的鑄件壁厚平均值為45 mm；GL表示澆注總量，單位為kg，該研究中的鑄件澆注量是4 500 kg。所以，對(duì)澆注時(shí)間進(jìn)行計(jì)算結(jié)果為102 s［2］。

2.2.2 澆道口的尺寸

該研究中，設(shè)計(jì)內(nèi)澆道截面為矩形，15 mm× 50 mm的尺寸，75 cm2的截面積。并將橫澆道截面設(shè)定成梯形，110 mm的下底尺寸，90 mm的上底尺寸，設(shè)置其高度為86 mm，86 cm2的截面積，將直澆道的界面設(shè)定成圓形，55 mm的半徑。橫澆道和內(nèi)澆道的截面尺寸見圖2。

圖2 內(nèi)澆道、橫澆道的截面尺寸Fig.2 runner，runner-sectional dimension

2.2.3 冒口的設(shè)計(jì)

鑄件凝固期間，冒口會(huì)持續(xù)提供相應(yīng)的金屬液補(bǔ)縮，使縮松與縮孔缺陷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行不斷降低［3］。該研究中在鑄件頂部熱節(jié)圓的位置設(shè)置冒口，對(duì)四個(gè)冒口進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)冒口的尺寸見圖3。

圖3 冒口的尺寸Fig.3 The size of the riser

2.2.4 冷鐵的設(shè)計(jì)

在高檔數(shù)控機(jī)床滑枕鑄造中，冷鐵激冷效果有助于鑄鐵表面迅速凝固。具體設(shè)計(jì)期間選擇底部注入式的澆注方法，該鑄件底部存在比較厚的壁厚，為避免缺陷的產(chǎn)生，將4塊冷鐵置于底部側(cè)面，400 mm×500 mm×160 mm的冷鐵尺寸［4］。

3 ProCAST的計(jì)算仿真分析

設(shè)置冷鐵和出氣冒口，能夠?qū)龛T造工藝水平進(jìn)行全面優(yōu)化，為對(duì)兩者的效果和作用進(jìn)行研究，在該設(shè)計(jì)期間，選擇有限元模擬軟件——Pro-CAST模擬充型整體過程，同時(shí)分析對(duì)比兩個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案。方案一沒有對(duì)冷鐵和出氣冒口進(jìn)行設(shè)置，而方案二將冷鐵和出氣冒口設(shè)置在鑄件的底部和頂部位置［5］。為對(duì)充型過程進(jìn)行分析，本研究對(duì)金屬液橫澆道、金屬液逐漸中間厚大位置、首個(gè)內(nèi)腔被充滿以及填充尾聲留頂部的重要時(shí)刻進(jìn)行選擇以展開分析。方案一結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬液首先與距離直角比較近的內(nèi)澆道相接觸，并向其他內(nèi)澆道進(jìn)入，而且金屬液在橫澆道和內(nèi)澆道中充滿的時(shí)間基本相同，而后在鑄件整體中充滿，鑄件頂部發(fā)生液流現(xiàn)象。而方案二結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬液第一進(jìn)入的是距離直澆道比較遠(yuǎn)的內(nèi)澆道，充滿橫澆道后，距離直澆道比較近的內(nèi)澆道才進(jìn)入相關(guān)金屬液，并向型腔內(nèi)填充，頂部液流攪動(dòng)減輕比較顯著。由此可見，冷鐵和出氣冒口存在明顯的作用［6］。方案一中，因?yàn)椴⑽磳?duì)冷鐵和出氣冒口進(jìn)行設(shè)置，所以滑枕鑄件頂部壓力相對(duì)比較大，而且產(chǎn)生攪動(dòng)液流現(xiàn)象，存在不顯著的回流現(xiàn)象，增加鑄鐵縮松缺陷與縮孔缺陷發(fā)生率。設(shè)置冷鐵后，有助于鑄鐵厚大部位液流攪動(dòng)情況的減輕，能夠?qū)﹁T件底部縮松、縮孔問題進(jìn)行有效清除。

4 結(jié)論

本研究通過分析與探討大型鑄件滑枕結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，設(shè)計(jì)出滑枕鑄造工藝，采用ProCAST模擬分析實(shí)際充型過程，所得結(jié)論為：①高檔數(shù)控機(jī)床滑枕鑄造對(duì)立澆底注澆注進(jìn)行選擇，以矩形為內(nèi)澆道的截面，75 cm2的截面積，以梯形為橫澆道的截面，86 cm2的截面積；②設(shè)置頂部出氣冒口，有助于阻力的下降，同時(shí)提升充型速度，確保澆注能夠快速完成，防止鑄件頂部凝固期間發(fā)生縮松與縮孔等問題；③在底部放置冷鐵，有助于減輕在該位置鑄件液流攪動(dòng)情況，同時(shí)徹底消除縮松與縮孔等情況。

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中圖分類號(hào)：TG659；TG24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-6125（2016）02-0021-03

收稿日期：2016-03-14

基金項(xiàng)目：貴州省教育廳高等學(xué)?！翱茖W(xué)教育專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20130385103）。

作者簡(jiǎn)介：羅澤碧（1979-）女，貴州福泉人，貴陽學(xué)院講師、碩士。主要研究方向：機(jī)械制造，科學(xué)教育。

Antes Li pouring rain pouring on the bottom end CNC machine tools casting properties ram

LUO Ze-bi
（college of chemical and material engineering，Guiyang University，Guiyang Guizhou 550005，China）

Abstract：high-performance high-end CNC machine tools，high-quality and machine parts manufacturing and technology level there is a close correlation，and digital control machine is a large ram，ram manufacturing process greatly affects CNC machine tools performance and accuracy.But also as a large cast iron ram in the actual manufacturing are prone to shrinkage，cracking and read sand and other issues.In this study，the design of high-end CNC machine tools ram casting process，the use of computer software to ram casting process simulation，optimization of process parameters to conduct a comprehensive，high-end CNC machine tools and improve ram casting level，while high-end CNC machine tools to explore the ram neutral bottom pouring casting pillar pouring rain on the properties，in order to provide an effective reference for similar casting machine production and manufacturing.

Key words：Li pouring Antes bottom pouring rain；high-end CNC machine tools；ram；casting performance