CN111069582B - 一种低应力铸件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低应力铸件的制备方法,包括以下步骤:制作产品砂型;金属熔炼;将产品原材料进行熔炼,得金属液;浇注:将熔炼好的金属液浇注到砂型中;强制冷却:当金属液充满砂型型腔且金属液开始凝固时,对铸件热节部位实行强制冷却;阶梯式冷却:当铸件材料处于塑‑弹性转变温度区间内时,对铸件进行阶梯式冷却;打箱取件:当铸件温度低于150℃时,打箱,取出铸件并进行后处理。通过该工艺制造的大型机床可有效解决现有按照现有工艺制造的机床存在的残余应力大,导致铸件尺寸稳定性差和服役寿命短的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机床制造技术领域,具体涉及一种低应力铸件的制备方法。
背景技术
高档大型数控机床是制造业现代化及智能化的关键装备,国防、航空航天、高铁、大型船舶等重要装备制造业需求的大幅增长,促进了我国机床产业的快速发展,但在技术要求较高的高端大型数控机床生产、加工及装配等方面,我国同世界先进水平相比仍呈现出一定的差距。当前国内高端大型数控机床的生产,多采用先购买国外关键功能部件,再配套自产结构件组装而成,在设备装配精度、可靠性、长期服役加工精度、使用寿命等方面同国外设备存在较大差距,这极大程度地限制了国产高档大型数控机床在关键工业领域的应用。床身是搭载机床所有零部件的重要基座,是机床整体几何精度的测定基准,床身性能极大程度上决定了机床整机性能,提升高档大型数控机床的整机水平必须先从提升其床身材料的性能开始。
高档大型数控床身材料由特定的铸铁经铸造而成。在铸铁材料的服役过程中,刚开始时,机床整机加工精度都能够满足生产加工需求,但是在设备使用一段时间之后,床身铸件由于材料组织、应力状态等的变化,致使机床整机精度、稳定性下降。长期工程实践表明,床身材料其残余应力水平极大地影响了高档大型数控机床整机的长期加工精度。在机床的服役环境中存在许多诱发材料残余应力释放的因素(如长时间振动、自然时效等),进而是材料产生应力松弛,导致材料变形,最终影响床身材料的尺寸精度及尺寸稳定性。所以,生产出低残余应力的床身铸件材料对提升高档大型数控机床整机加工性能至关重要。
材料产生尺寸变形意味着材料在力的作用下发生了屈服,或塑性变形。欲增强特定机床床身材料的尺寸稳定性,一方面可通过提升材料的屈服强度即抗塑性变形能力来实现;另一方面,可通过降低材料残余应力的方式来实现。而残余应力松弛是在使用过程中逐步释放的,所以对机床整体的长期加工精度及尺寸稳定性都有着极其重要的影响。采用现有的工艺制备的大型数控机床床身铸件内部的残余应力大,铸件尺寸稳定性差,服役寿命较低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供了一种低应力铸件的制备方法,通过该工艺制造的铸件可有效解决现有按照现有工艺制造的铸件存在的残余应力大,导致铸件尺寸稳定性差和服役寿命短的问题。
为实现上述目的,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种低应力铸件的制备方法,包括以下步骤:
(1)制作产品砂型;
(2)金属熔炼;将产品原材料进行熔炼,得金属液;
(3)浇注:将步骤(2)中熔炼好的金属液浇注到步骤(1)中制得的砂型中;
(4)强制冷却:当金属液充满砂型型腔且金属液开始凝固时,对铸件热节部位实行强制冷却;
(5)阶梯式冷却;当铸件材料处于塑-弹性转变温度区间内时,对铸件进行阶梯式冷却;
(6)打箱取件:当铸件温度低于150℃时,打箱,取出铸件并进行后处理。
进一步地,步骤(2)中机床原材料为HT350、HT300、HT250、HT200或HT150。
进一步地,步骤(2)中的熔炼温度为1490-1550℃。
进一步地,步骤(2)中的熔炼温度为1550℃。
进一步地,步骤(3)中浇注时,金属液出炉温度>1480℃,浇注温度为1370-1430℃。
进一步地,步骤(3)中浇注时,金属液出炉温度1500℃,浇注温度为1400℃。
进一步地,步骤(4)中强制冷却过程以金属液温度达到凝固点时停止。
进一步地,步骤(4)中强制冷却方式为喷水雾或者吹风。
进一步地,步骤(5)中塑-弹性转变温度区间为550-350℃。
进一步地,步骤(5)中具体阶梯式冷却过程为先在550℃条件下保温6h,再在450℃条件下保温6h和最后在350℃条件下保温10h。
进一步地,低应力铸件为大型机床床身或立柱。
上述方案所产生的有益效果为:
1、本发明中通过在浇注结束后,在浇冒口等热节部位实行强制冷却,使得铸件内部形成均衡的凝固模式,以此来降低铸件的残余应力及变形力。
2、在塑-弹性转变温度区间内采用阶梯式冷却工艺,使得铸件内物质充分扩散,降低材料内部的热应力,并且可减小铸件各部分之间的温度差,使铸件各部分之间的固态收缩率趋于一致,以此降低机械阻碍应力,同时,阶梯式冷却工艺还可抑制薄壁处产生渗碳体和厚壁处产生铁素体,使材料获得组织均匀的细片状珠光体,以此降低铸件的残余应力。
具体实施方式
实施例1
一种低应力铸件的制备方法,包括以下步骤:
(1)制作大型机床床身砂型:按床身铸件铸造工艺要求,选用硅砂制作砂型,砂型表面应平整且具有一定紧实度,所制作砂型应尽量避免尖角或狭长通道;
(2)金属熔炼;将选用标准灰铸铁HT300,将其置于2.5t中频感应电炉中进行熔炼,采用硅铁、锰铁脱氧,用硅-钙扩散脱氧精炼,熔炼温度为1490℃,得金属液;
(3)浇注:将步骤(2)中熔炼好的金属液通过浇冒口浇注到步骤(1)中制得的砂型中,浇注时,金属液的出炉温度大于1480℃,浇注温度为1370℃,在浇注完成约1/4后开始对铸件厚大部位的铸型周围强化吹风或喷水雾,通过适当快速冷却以促进形核,在浇注完成约1/2后停止强化吹风或喷水雾,在凝固完成约1/2~4/5阶段对铁液进行振动以打断已形成的粗大晶粒,增加晶核数并消除粗大枝晶骨架对铸造应力的增大倾向;
(4)强制冷却:当金属液充满砂型型腔且浇冒口处的金属液开始凝固时,对铸件热节部位进行喷水雾式强制冷却工序,当金属液温度达到凝固点1064℃时停止喷水雾,使冒口从供热通道转变为散热通道,并在离内浇口胶原、最先开始冷却的部位增设蓄热源;
(5)阶梯式冷却;当铸件材料处于600-350℃的塑-弹性转变温度区间内时,通过辅助热源控制铸型温度场,然后对铸件进行阶梯式冷却,具体过程为在450℃时保温6h;
(6)打箱取件:静置铸件砂型,当铸件温度低于150℃时,打箱,取出铸件,切除冒口和浇道,打磨清理飞边。
实施例2
一种低应力铸件的制备方法,包括以下步骤:
(1)制作大型机床床身砂型:按床身铸件铸造工艺要求,选用硅砂制作砂型,砂型表面应平整且具有一定紧实度,所制作砂型应尽量避免尖角或狭长通道;
(2)金属熔炼;将选用标准灰铸铁HT350,将其置于2.5t中频感应电炉中进行熔炼,采用硅铁、锰铁脱氧,用硅-钙扩散脱氧精炼,熔炼温度为1550℃,得金属液;
(3)浇注:将步骤(2)中熔炼好的金属液通过浇冒口系统浇注到步骤(1)中制得的砂型中,浇注时,金属液的出炉温度大于1500℃,浇注温度为1400℃,在浇注完成约1/4后开始对铸件厚大部位的铸型周围强化吹风或喷水雾,通过适当快速冷却以促进形核,在浇注完成约1/2后停止强化吹风或喷水雾,在凝固完成约1/2~4/5阶段对铁液进行振动以打断已形成的粗大晶粒,增加晶核数并消除粗大枝晶骨架对铸造应力的增大倾向;
(4)强制冷却:当金属液充满砂型型腔且浇冒口处的金属液开始凝固时,对铸件热节部位进行吹风式强制冷却工序,当金属液温度达到凝固点1064℃时停止喷水雾,使冒口从供热通道转变为散热通道,并在离内浇口胶原、最先开始冷却的部位增设蓄热源;
(5)阶梯式冷却;当铸件材料处于600-350℃的塑-弹性转变温度区间内时,通过辅助热源控制铸型温度场,然后对铸件进行阶梯式冷却,具体过程为在450℃时保温6h;
(6)打箱取件:静置铸件砂型,当铸件温度低于150℃时,打箱,取出铸件,切除冒口和浇道,打磨清理飞边。
实施例3
一种低应力铸件的制备方法,包括以下步骤:
(1)制作大型机床床身砂型:按床身铸件铸造工艺要求,选用硅砂制作砂型,砂型表面应平整且具有一定紧实度,所制作砂型应尽量避免尖角或狭长通道;
(2)金属熔炼;将选用标准灰铸铁HT250,将其置于2.5t中频感应电炉中进行熔炼,采用硅铁、锰铁脱氧,用硅-钙扩散脱氧精炼,熔炼温度为1500℃,得金属液;
(3)浇注:将步骤(2)中熔炼好的金属液通过浇冒口系统浇注到步骤(1)中制得的砂型中,浇注时,金属液的出炉温度大于1500℃,浇注温度为1400℃,在浇注完成约1/4后开始对铸件厚大部位的铸型周围强化吹风或喷水雾,通过适当快速冷却以促进形核,在浇注完成约1/2后停止强化吹风或喷水雾,在凝固完成约1/2~4/5阶段对铁液进行振动以打断已形成的粗大晶粒,增加晶核数并消除粗大枝晶骨架对铸造应力的增大倾向;
(4)强制冷却:当金属液充满砂型型腔且浇冒口处的金属液开始凝固时,对铸件热节部位进行喷水雾式强制冷却工序,当金属液温度达到凝固点1064℃时停止喷水雾,使冒口从供热通道转变为散热通道,并在离内浇口胶原、最先开始冷却的部位增设蓄热源;
(5)阶梯式冷却;当铸件材料处于600-350℃的塑-弹性转变温度区间内时,通过辅助热源控制铸型温度场,然后对铸件进行阶梯式冷却,具体过程为在450℃时保温6h;
(6)打箱取件:静置铸件砂型,当铸件温度低于150℃时,打箱,取出铸件,切除冒口和浇道,打磨清理飞边。
实施例4
一种低应力铸件的制备方法,其相对于实施例2中的方法,存在以下变化:步骤(5)中的阶梯式冷却具体过程为:450℃下保温2h。
实施例5
一种低应力铸件的制备方法,其相对于实施例2中的方法,存在以下变化:步骤(5)中的阶梯式冷却具体过程为:450℃下保温10h。
实施例6
一种低应力铸件的制备方法,其相对于实施例2中的方法,存在以下变化:步骤(5)中的阶梯式冷却具体过程为:450℃下保温6h,随炉冷却至350℃保温6h。
实施例7
一种低应力铸件的制备方法,其相对于实施例2中的方法,存在以下变化:步骤(5)中的阶梯式冷却具体过程为:450℃下保温6h,随炉冷却至350℃保温10h。
实施例8
一种低应力铸件的制备方法,其相对于实施例2中的方法,存在以下变化:步骤(5)中的阶梯式冷却具体过程为:550℃下保温6h,随炉冷却至450℃保温6h,继续随炉冷却至350℃保温10h。
对比例1
一种低应力铸件的制备方法,包括以下步骤:
(1)制作机床床身砂型:按床身铸件铸造工艺要求,选用硅砂制作砂型,砂型表面应平整且具有一定紧实度,所制作砂型应尽量避免尖角或狭长通道;
(2)金属熔炼;将选用标准灰铸铁HT300,将其置于2.5t中频感应电炉中进行熔炼,采用硅铁、锰铁脱氧,用硅-钙扩散脱氧精炼,得金属液;
(3)浇注:将步骤(2)中熔炼好的金属液通过浇冒口系统浇注到步骤(1)中制得的砂型中;
(4)冷却;进行随炉冷却:
(5)打箱取件:静置铸件砂型,当铸件温度低于150℃时,打箱,取出铸件,切除冒口和浇道,打磨清理飞边。
试验例
分别对实施例1-8和对比例1中制得的铸件的残余应力依照中华人民共和国机械行业标准JB/T5926-2005中的5.3条所规定的的盲孔法进行检测,检测时,随机对8个点的残余应力进行检测,并计算这8个点残余应力的平均值作为该铸件的残余应力,将实施例1-8中铸件的残余应力与对比例1中的残余应力进行对比,计算实施例1-8中铸件的残余应力相对于对比例1中铸件的残余应力的削减率,具体检测结果见表1。
表1:残余应力检测表
残余应力(MPa) | 削减率(%) | |
实施例1 | 137 | 34.13 |
实施例2 | 131.3 | 36.88 |
实施例3 | 155.7 | 25.14 |
实施例4 | 142 | 31.73 |
实施例5 | 130.8 | 37.12 |
实施例6 | 125.1 | 39.86 |
实施例7 | 123.6 | 40.58 |
实施例8 | 121.7 | 41.49 |
对比例1(现有方法) | 208 | --- |
通过上表得知,按照本发明实施例1-8中的方法制得的铸件的残余应力均低于按照对比例1中现有方法制得的铸件的残余应力,尤其是按照实施例8中的方法制得的铸件内的残余应力最低。
通过实施例1、2和3中的数据可以看出,采用相同的方法对不同的原料进行制作,制得的机床的残余应力不同,证明材料对于残余应力的大小会产生一定的影响。
通过实施例4和5中的数据可以得知,阶梯式冷却工艺中,保温时间对于机床残余应力也存在影响,保温时间短,不利于减少铸件各部分温差,因而不利于残余应力消除。
通过实施例6、7和8中的数据可以得知,增加了阶梯式冷却工艺中的保温台阶,延长保温时间,有利于减少铸件各部分温度差,更利于消除残余应力。
Claims (9)
1.一种低应力铸件的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)制作产品砂型;
(2)金属熔炼;将产品原材料进行熔炼,得金属液;
(3)浇注:将步骤(2)中熔炼好的金属液浇注到步骤(1)中制得的砂型中;
(4)强制冷却:当金属液充满砂型型腔且金属液开始凝固时,对铸件热节部位实行强制冷却;
(5)阶梯式冷却:当砂型内材料处于塑-弹性转变温度区间内时,对铸件进行阶梯式冷却,具体阶梯式冷却过程为先在450-550℃条件下保温5-6h,再在400-450℃条件下保温4-6h和最后在350-400℃条件下保温8-10h;
(6)打箱取件:当铸件温度低于150℃时,打箱,取出铸件并进行后处理。
2.如权利要求1所述的低应力铸件的制备方法,其特征在于,步骤(2)中产品原材料为HT350、HT300、HT250、HT200或HT150。
3.如权利要求1所述的低应力铸件的制备方法,其特征在于,步骤(2)中的熔炼温度为1490-1550℃。
4.如权利要求1所述的低应力铸件的制备方法,其特征在于,步骤(3)中浇注时,金属液出炉温度>1480℃,浇注温度为1370-1430℃。
5.如权利要求1所述的低应力铸件的制备方法,其特征在于,强制冷却过程以金属液温度达到凝固点时停止。
6.如权利要求1所述的低应力铸件的制备方法,其特征在于,步骤(4)中强制冷却方式为喷水雾或者吹风。
7.如权利要求1所述的低应力铸件的制备方法,其特征在于,步骤(5)中塑-弹性转变温度区间为550-350℃。
8.如权利要求1所述的低应力铸件的制备方法,其特征在于,步骤(5)中具体阶梯式冷却过程为先在550℃条件下保温6h,再在450℃条件下保温6h和最后在350℃条件下保温10h。
9.如权利要求1-8中任一项所述的低应力铸件的制备方法,其特征在于,所述低应力铸件为大型机床床身或立柱。
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