CN105945261B - 振动凝固低应力床身铸件的铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种床身铸件的生产方法及应用，尤其是涉及振动凝固低应力床身铸件的铸造方法，先制作床身铸件的砂型，液态金属熔炼和浇注，立体振动凝固：通过小波频谱分析技术，在铁水刚充满铸型腔之后，施加10‑200Hz低频立体共振场，在铁水冷却至Fe‑C共晶点附近±50℃内实施200‑2000Hz高频立体共振，静置铸件砂型，切除冒口和浇道，打磨清理飞边。低频立体共振场，可促使金属液态充满型腔，克服传统铸造过程中常出现的气孔、夹杂、偏析、缩孔等铸造缺陷；高频立体共振提高铁水过冷度，促进凝固形核，增加形核数量，利于结晶晶体组织细化；该工艺简单，成本较低，操作简便，无污染，适应面广，可明显提高铸件质量，降低其残余应力。

Description

振动凝固低应力床身铸件的铸造方法
技术领域
本发明涉及一种床身铸件的生产方法及应用，尤其是涉及振动凝固低应力床身铸件的铸造方法。
背景技术
高档大型数控机床是现代装备制造业的关键设备，也是制造业智能化的核心装备。床身是机床最重要的基础部件,它是机床各项几何精度的测定基准，作为整机基座，其它零部件搭载其上工作。高档大型数控机床的床身铸件，占机床总重量约70～80％，重量一般在几吨到几十吨之间，床身铸件铸造质量要求很高，它在保证大型数控精密机床的加工性能、精度及精度保持性方面起着至关重要的作用。床身铸件生产风险很大，报废一件，直接经济损失就可能达到数十万元乃至上百万元，且稳定性不好有可能在整机运行中造成重大的质量事故。目前，我国国产的高档大型数控机床，大都是购买国外关键功能部件，再加上自己的结构件组装而成。装配的机床在精度、可靠性方面和国外产品存在较大差距，因而限制了国产高档大型数控机床在很多关键工业领域的应用。高档大型数控床身主要由特定的铸铁铸造而成，床身铸件精度稳定性将在很大程度上决定机床整机性能。
人们研究认为在铸造过程中影响机床床身铸件尺寸精度稳定性的因素主要包括：
(1)热变形及温度梯度引起铸件变形。铸件热变形的主要原因之一是铸件中的金相组织不均匀，不同组织具有不同的热膨胀系数以致温变时产生不均匀膨胀(如线膨胀系珠光体α＝10～11×10-6mm/mm℃，铁素体α＝12～12.5×10-6mm/mm℃，渗碳体α＝6～8.5×10-6mm/mm℃)。其二是外界温度变化时,床身厚薄壁不同部位热含量不同，产生温度梯度而膨胀不一致产生翘曲变形。
(2)由于金属组织的不均匀性,晶粒弹性的各向异性,晶粒取向不同以及载荷的不均匀分布，使晶粒之间产生不同的应力，在外力作用下这种应力会引起材料的蠕变和尺寸不稳定性，引起微观屈服。
(3)铸件残余应力及其稳定性。铸件残余应力主要由下列几部分应力构成：①铸造内应力：铸件冷却进入弹塑性区间时，由于各部位存在温差，致使不均匀的收缩或收缩受阻而造成铸造应力。②切削加工的附加应力。③时效中产生的二次应力。
上述几方面因素往往导致床身在使用过程中，或是使用一段时间之后，由于组织不均匀、应力状态的变化或不稳定，致使机床整机精度稳定性下降。为了保障床身铸件尺寸精度和稳定性，本发明提出，在床身铸件铸造过程中，通过高频振动工艺控制铸件的凝固过程，改善铸件的金相组织和相组成均一性，进而改善床身铸件的尺寸精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低应力高精度大型床身铸件的振动凝固生产方法，解决现有大型床身铸件成分及组织易于不均匀，晶粒粗大，残余应力过大的问题，目的在于均匀铸件组织，获得低应力高尺寸精度的铸件。
本发明是通过对凝固过程中的金属液体施加高频立体振动场来实现的，具体的技术方案包括以下步骤：
1、床身铸件的砂型制作：选用宝珠砂或硅砂作为铸件砂型制造，砂型表面应制造平整，紧实，避免尖角或狭长通道设计。
2、液态金属熔炼和浇注：将废钢、硅铁、锰铁、低碳铬铁、铜等原料置于感应电炉或冲天炉中熔炼，采用硅铁、锰铁脱氧，用硅-钙扩散脱氧精炼，熔炼温度为1400～1500℃，铁水出炉温度不低于1430℃，浇注温度为1350～1400℃，铸件材料组成元素的质量百分比化学成分为HT350～HT150中的任意一种化学组成。即HT150、HT200、HT250、HT300、HT350中的一种。
作为优选，所述铁水熔炼采用中频感应电炉。
作为优选，铸件材料组成元素的质量百分比成分为HT300或HT350。
作为优选，铁水出炉温度为1450℃，浇注温度为1400℃。
3、立体振动凝固：
(1)在铁水凝固过程中，通过小波频谱分析技术，采用激振方式对液态金属凝固状态下的一阶频率、二阶频率、三阶频率及N阶频率进行测定，测定的结果用于以下过程确定加载振动场频率和参数时使用；
(2)在铁水刚充满铸型腔之后，经铸型腔的浇口或冒口处由振动棒施加10-200Hz低频立体共振场，以促使金属液态充满型腔；低频立体共振场2～5min；
(3)在铁水冷却至Fe-C共晶点附近±50℃内实施200-2000Hz高频立体共振，提高铁水过冷度，促进凝固形核，并使已形成长大的枝晶被破碎打断，形成新的细小晶粒；高频立体共振2min～5min。
(4)静置铸件砂型，待铸件冷却至350～450℃打箱，取出铸件，切除冒口和浇道，打磨清理飞边。
振动棒的能量由采用电磁振动、或偏心振动、或振动电机机械振动产生的高频低幅共振提供。
振动棒由耐高温陶瓷制作，其高温服役温度为要求为1800℃-2200℃，振动棒在服役温度下能保持足够的强度和良好的抗氧化性。
作为优选，低频立体共振场采用固定振动频率，高频立体共振场采用线性加载频率。
作为优选，振动源的振动频率为10～2000Hz、振幅为0.05～2.00mm，加速度为1～20m/s2，振动电机转速范围为1000～8000rmp，振动棒激振力为0-25KN。
本发明具有以下有益效果：
1、在铁水刚充满铸型腔之后，经铸型腔的浇口或冒口处由振动棒施加的低频立体共振场，可促使金属液态充满型腔，克服传统铸造过程中常出现的气孔、夹杂、偏析、缩孔等铸造缺陷，获得表面质量更好的铸件；
2、在铁水共晶点附近实施高频立体共振，可提高铁水过冷度，促进凝固形核，增加形核数量，利于结晶晶体组织细化；
3、铁水凝固过程中的高频立体共振，可使已形成的枝晶臂被剪切、折断、破碎，形成新的细小晶粒，改善碳化物形态，避免相成分及元素偏析，获得的铸件具有更小的平均晶体尺寸；
4、本发明工艺简单，成本较低，操作简便，无污染，适应面广，可明显提高铸件质量，降低其残余应力，提高铸件成形尺寸精度，有效提升大型床身铸件的综合性能。
附图说明
图1为实施例的某数控龙门加工机床床身铸件显微组织SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1:
(1)成分为标准灰铸铁HT300：C 2.9～3.2，Mn 0.9～1.1，Si 1.2～1.5，P≤0.15，S≤0.12；
(2)将废钢、硅铁、锰铁、低碳铬铁、铜等原料置于2.5t中频感应电炉中熔炼，采用硅铁、锰铁脱氧，用硅-钙扩散脱氧精炼，熔炼温度为1400～1500℃，铁水出炉温度不低于1430℃，浇注温度为1350℃。
(3)砂型制作，砂型用石英砂制作，水玻璃做粘结剂，二氧化碳固化，砂型经压实、紧致，在铸型表面涂刷锆英粉涂料，合箱，锁箱。
(4)在铁水注满铸型腔之后，在冒口处探入振动棒，通过小波频谱分析技术，采用激振方式对液态金属的一阶频率、二阶频率、三阶频率及N阶频率进行测定，并以此确定加载振动场频率和参数。
(5)经铸型腔的冒口处由振动棒施加100Hz低频立体共振场2min，以促使金属液态充满型腔；
(6)在铁水冷却至共晶点附近1150℃内实施1000Hz高频立体共振2min，提高铁水过冷度，促进凝固形核，并使已成形的枝晶破碎打断，形成新的细小晶粒；
(7)静置铸件砂型，待铸件冷却至400℃打箱，取出铸件，切除冒口和浇道，打磨清理飞边。
该铸件为某数控龙门加工机床床身铸件，显微组织SEM图如图1所示。
经本发明方法制备的低应力HT300的残余应力，依据中国人民共和国机械行业标准JB/T5926-2005中5.3条规定的残余应力检测法中的盲孔法检测，铸件未使用振动凝固工艺成形后的8点随机残余应力平均值为212MPa，经本发明工艺制备成形的铸件，8点随机残余应力平均值为142MPa，残余应力消减率为33.02％，应力均化度为30.19％。
实施例2：
以实施例1的步骤进行振动凝固，其余工艺参数及过程同实施例1，不同之处在于所选的铸件材料化学成分不同，本例铸件化学成分为HT250：C 3.16～3.30，Mn 0.89～1.04，Si 1.79～1.93，P 0.120～0.170，S 0.094～0.125。经本发明方法制备的低应力HT250的残余应力，依据中国人民共和国机械行业标准JB/T5926-2005中5.3条规定的残余应力检测法中的盲孔法检测，铸件未使用振动凝固工艺成形后的8点随机残余应力平均值为198MPa，经本发明工艺制备成形的铸件，8点随机残余应力平均值为127MPa，残余应力消减率为35.86％，应力均化度为32.45％。
实施例3：
以实施例1的步骤进行振动凝固，其余工艺参数及过程同实施例1，不同之处在于所选的铸件材料化学成分不同，本例铸件化学成分为HT350：C 2.8～3.4，Si 1.8～2.3，Mn1.0～1.3，S 0.045，p 0.045。经本发明方法制备的低应力HT250的残余应力，依据中国人民共和国机械行业标准JB/T5926-2005中5.3条规定的残余应力检测法中的盲孔法检测，铸件未使用振动凝固工艺成形后的8点随机残余应力平均值为158MPa，经本发明工艺制备成形的铸件，8点随机残余应力平均值为231MPa，残余应力消减率为31.60％，应力均化度为27.13％。
实施例4：
以实施例1的步骤进行振动凝固，所选材料及工艺参数同实施例1，不同之处在于振动凝固的实施方法不同，本例的振动凝固在实施例1中的第(5)步骤中经铸型腔的冒口处由振动棒施加100Hz低频立体共振场5min，以促使金属液态充满型腔。本例获得的有益效果在于低频振动促进了液态金属的充型，减少了传统铸造过程中常出现的气孔、夹杂、偏析、缩孔等铸造缺陷，获得了更为良好的表面质量。
实施例5：
以实施例1的步骤进行振动凝固，所选材料及工艺参数同实施例1，不同之处在于振动凝固的实施方法不同，本例的振动凝固在实施例1中的第(6)步骤中在铁水冷却至共晶点附近1150℃内实施1000Hz高频立体共振4min，以提高铁水过冷度，促进凝固形核，本例获得的有益效果在于高频振动使已成形的枝晶破碎打断，形成新的细小晶粒，获得的铸件平均晶体尺寸下降14％～22％。
实施例6：
以实施例1的步骤进行振动凝固，所选材料及工艺参数同实施例1，不同之处在于振动凝固的实施方法不同，本例的振动凝固在实施例1中的第(5)、(6)步骤中分别经铸型腔的冒口处由振动棒施加100Hz低频立体共振场5min，再在铁水冷却至共晶点附近1148℃内实施1200Hz高频立体共振3min。本例获得的有益效果在于低频振动促进了液态金属的充型，减少了传统铸造过程中常出现的气孔、夹杂、偏析、缩孔等铸造缺陷，获得了更为良好的表面质量，第二步高频振动提高了铁水过冷度，促进凝固形核，并使已成形的枝晶破碎打断，形成新的细小晶粒，获得的铸件平均晶体尺寸下降18％～31％。
实施例7：
以实施例6的步骤进行振动凝固，所选材料及工艺参数同实施例6，不同之处在于振动凝固的实施对象不同，本例的振动凝固实施对象为管道砂轮磨床床身铸件，铸件材质为HT300，铸件重量约为10t，铸件尺寸为：8300×1060×560mm，床身导轨长度为8米，导轨壁厚125mm，其他壁厚35～40mm，选择如实施例6中的低频振动加高频立体共振分别实施5min、3min。本例获得的有益效果在于低频振动促进了液态金属的充型，减少了传统铸造过程中常出现的气孔、夹杂、偏析、缩孔等铸造缺陷，获得了更为良好的表面质量，第二步高频振动提高了铁水过冷度，促进凝固形核，并使已成形的枝晶破碎打断，形成新的细小晶粒，获得的铸件平均晶体尺寸下降17％～28％，经盲孔法检测铸件使用振动凝固工艺成形后的8点随机残余应力平均值消减率为32.19％，应力均化度为28.84％。
实施例8：
以实施例6的步骤进行振动凝固，所选材料及工艺参数同实施例6，不同之处在于振动凝固的实施对象不同，本例的振动凝固实施对象为某数控加工中心床身铸件，铸件材质为HT300，铸件重量约为7.5t，铸件尺寸为：2650×1300×1280mm，床身导轨长度为1.2米，导轨壁厚120mm，其他壁厚25～30mm，选择如实施例6中的低频振动加高频立体共振分别实施5min、3min。本例获得的有益效果在于低频振动促进了液态金属的充型，减少了传统铸造过程中常出现的气孔、夹杂、偏析、缩孔等铸造缺陷，获得了更为良好的表面质量，第二步高频振动提高了铁水过冷度，促进凝固形核，并使已成形的枝晶破碎打断，形成新的细小晶粒，获得的铸件平均晶体尺寸下降17％～28％，经盲孔法检测铸件使用振动凝固工艺成形后的8点随机残余应力平均值消减率为35.01％，应力均化度为34.26％，此振动凝固工艺对于尺寸较小的铸件具有更明显的应力消除和组织均化能力。
以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.振动凝固低应力床身铸件的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1、床身铸件的砂型制作：选用宝珠砂或硅砂作为铸件砂型制造；
2、液态金属熔炼和浇注：将原料熔炼，采用硅铁、锰铁脱氧，用硅-钙扩散脱氧精炼，熔炼温度为1400～1500℃，铁水出炉温度不低于1430℃，浇注温度为1350～1400℃；
所述的原料，化学成分为HT350～HT150中的任意一种，包括HT150、HT200、HT250、HT300、HT350；
3、立体振动凝固：
(1)在铁水凝固过程中，通过小波频谱分析技术，采用激振方式对液态金属凝固状态下的一阶频率、二阶频率、三阶频率及N阶频率进行测定，测定的结果用于以下过程确定加载振动场频率和参数时使用；
(2)在铁水刚充满铸型腔时，经铸型腔的浇口或冒口处由振动棒施加10-200Hz低频立体共振场，以促使金属液态充满型腔；低频立体共振场2～5min；
(3)在铁水冷却至Fe-C共晶点附近±50℃内实施200-2000Hz高频立体共振，提高铁水过冷度，促进凝固形核，并使已形成长大的支晶被破碎打断，形成新的细小晶粒；高频立体共振2min～5min；
(4)静置铸件砂型，待铸件冷却至350～450℃打箱，取出铸件，切除冒口和浇道，打磨清理飞边。
2.根据权利要求1所述的振动凝固低应力床身铸件的铸造方法，其特征在于，所述的铁水出炉温度为1450℃，浇注温度为1400℃。
3.根据权利要求1所述的振动凝固低应力床身铸件的铸造方法，其特征在于，所述的低频立体共振场采用固定振动频率，高频立体共振场采用线性加载频率。
4.根据权利要求1或3所述的振动凝固低应力床身铸件的铸造方法，其特征在于，所述的振动棒包括振动源，振动源的参数为：振动频率为10～2000Hz、振幅为0.05～2.00mm，加速度为1～20m/s2，振动源的振动电机转速范围为1000～8000rmp，振动棒激振力不大于25KN。
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