振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件及其鑄造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種床身鑄件的生產(chǎn)方法及應(yīng)用，尤其是涉及振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件及其鑄造方法，先制作床身鑄件的砂型，液態(tài)金屬熔煉和澆注，立體振動(dòng)凝固：通過小波頻譜分析技術(shù)，在鐵水剛充滿鑄型腔之后，施加10?200Hz低頻立體共振場，在鐵水冷卻至Fe?C共晶點(diǎn)附近±50℃內(nèi)實(shí)施200?2000Hz高頻立體共振，靜置鑄件砂型，切除冒口和澆道，打磨清理飛邊。低頻立體共振場，可促使金屬液態(tài)充滿型腔，克服傳統(tǒng)鑄造過程中常出現(xiàn)的氣孔、夾雜、偏析、縮孔等鑄造缺陷；高頻立體共振提高鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，增加形核數(shù)量，利于結(jié)晶晶體組織細(xì)化；該工藝簡單，成本較低，操作簡便，無污染，適應(yīng)面廣，可明顯提高鑄件質(zhì)量，降低其殘余應(yīng)力。
【專利說明】
振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件及其鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種床身鑄件的生產(chǎn)方法及應(yīng)用，尤其是涉及振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件及其鑄造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高檔大型數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，也是制造業(yè)智能化的核心裝備。床身是機(jī)床最重要的基礎(chǔ)部件，它是機(jī)床各項(xiàng)幾何精度的測定基準(zhǔn)，作為整機(jī)基座，其它零部件搭載其上工作。高檔大型數(shù)控機(jī)床的床身鑄件，占機(jī)床總重量約70?80%，重量一般在幾噸到幾十噸之間，床身鑄件鑄造質(zhì)量要求很高，它在保證大型數(shù)控精密機(jī)床的加工性能、精度及精度保持性方面起著至關(guān)重要的作用。床身鑄件生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)很大，報(bào)廢一件，直接經(jīng)濟(jì)損失就可能達(dá)到數(shù)十萬元乃至上百萬元，且穩(wěn)定性不好有可能在整機(jī)運(yùn)行中造成重大的質(zhì)量事故。目前，我國國產(chǎn)的高檔大型數(shù)控機(jī)床，大都是購買國外關(guān)鍵功能部件，再加上自己的結(jié)構(gòu)件組裝而成。裝配的機(jī)床在精度、可靠性方面和國外產(chǎn)品存在較大差距，因而限制了國產(chǎn)高檔大型數(shù)控機(jī)床在很多關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。高檔大型數(shù)控床身主要由特定的鑄鐵鑄造而成，床身鑄件精度穩(wěn)定性將在很大程度上決定機(jī)床整機(jī)性能。
[0003]人們研究認(rèn)為在鑄造過程中影響機(jī)床床身鑄件尺寸精度穩(wěn)定性的因素主要包括:
[0004](I)熱變形及溫度梯度引起鑄件變形。鑄件熱變形的主要原因之一是鑄件中的金相組織不均勻，不同組織具有不同的熱膨脹系數(shù)以致溫變時(shí)產(chǎn)生不均勻膨脹(如線膨脹系珠光體α = 1 ?11 X 10—6mm/mm°C，鐵素體α = 12 ?12.5 X 10—6mm/mm°C，滲碳體α = 6 ?8.5 X10—°C )。其二是外界溫度變化時(shí)，床身厚薄壁不同部位熱含量不同，產(chǎn)生溫度梯度而膨脹不一致產(chǎn)生翹曲變形。
[0005](2)由于金屬組織的不均勻性，晶粒彈性的各向異性，晶粒取向不同以及載荷的不均勻分布，使晶粒之間產(chǎn)生不同的應(yīng)力，在外力作用下這種應(yīng)力會引起材料的蠕變和尺寸不穩(wěn)定性，引起微觀屈服。
[0006](3)鑄件殘余應(yīng)力及其穩(wěn)定性。鑄件殘余應(yīng)力主要由下列幾部分應(yīng)力構(gòu)成:①鑄造內(nèi)應(yīng)力:鑄件冷卻進(jìn)入彈塑性區(qū)間時(shí)，由于各部位存在溫差，致使不均勻的收縮或收縮受阻而造成鑄造應(yīng)力。②切削加工的附加應(yīng)力。③時(shí)效中產(chǎn)生的二次應(yīng)力。
[0007]上述幾方面因素往往導(dǎo)致床身在使用過程中，或是使用一段時(shí)間之后，由于組織不均勻、應(yīng)力狀態(tài)的變化或不穩(wěn)定，致使機(jī)床整機(jī)精度穩(wěn)定性下降。為了保障床身鑄件尺寸精度和穩(wěn)定性，本發(fā)明提出，在床身鑄件鑄造過程中，通過高頻振動(dòng)工藝控制鑄件的凝固過程，改善鑄件的金相組織和相組成均一性，進(jìn)而改善床身鑄件的尺寸精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種低應(yīng)力高精度大型床身鑄件的振動(dòng)凝固生產(chǎn)方法，解決現(xiàn)有大型床身鑄件成分及組織易于不均勻，晶粒粗大，殘余應(yīng)力過大的問題，目的在于均勻鑄件組織，獲得低應(yīng)力高尺寸精度的鑄件。
[0009]本發(fā)明是通過對凝固過程中的金屬液體施加高頻立體振動(dòng)場來實(shí)現(xiàn)的，具體的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0010]1、床身鑄件的砂型制作:選用寶珠砂或硅砂作為鑄件砂型制造，砂型表面應(yīng)制造平整，緊實(shí)，避免尖角或狹長通道設(shè)計(jì)。
[0011 ] 2、液態(tài)金屬熔煉和澆注:將廢鋼、硅鐵、錳鐵、低碳鉻鐵、銅等原料置于感應(yīng)電爐或沖天爐中熔煉，采用硅鐵、錳鐵脫氧，用硅-鈣擴(kuò)散脫氧精煉，熔煉溫度為1400?1500°C，鐵水出爐溫度不低于1430°C，澆注溫度為1350?1400°C，鑄件材料組成元素的質(zhì)量百分比化學(xué)成分為HT350?HT150中的任意一種化學(xué)組成。即HT150、HT200、HT250、HT300、HT350中的一種。
[0012]作為優(yōu)選，所述鐵水熔煉采用中頻感應(yīng)電爐。
[0013]作為優(yōu)選，鑄件材料組成元素的質(zhì)量百分比成分為HT300或HT350。
[0014]作為優(yōu)選，鐵水出爐溫度為1450°C，澆注溫度為1400°C。
[0015]3、立體振動(dòng)凝固:
[0016](I)在鐵水凝固過程中，通過小波頻譜分析技術(shù)，采用激振方式對液態(tài)金屬凝固狀態(tài)下的一階頻率、二階頻率、三階頻率及N階頻率進(jìn)行測定，并以此確定加載振動(dòng)場頻率和參數(shù)。
[0017](2)在鐵水剛充滿鑄型腔之后，經(jīng)鑄型腔的澆口或冒口處由振動(dòng)棒施加10-200HZ低頻立體共振場，以促使金屬液態(tài)充滿型腔；
[0018](3)在鐵水冷卻至Fe-C共晶點(diǎn)附近±50°C內(nèi)實(shí)施200_2000Ηζ高頻立體共振，提高鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，并使已形成長大的支晶被破碎打斷，形成新的細(xì)小晶粒；
[0019](4)靜置鑄件砂型，待鑄件冷卻至350?450°C打箱，取出鑄件，切除冒口和澆道，打磨清理飛邊。
[0020 ]振動(dòng)棒的能量由采用電磁振動(dòng)、或偏心振動(dòng)、或振動(dòng)電機(jī)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的高頻低幅共振提供。
[0021]振動(dòng)棒由耐高溫陶瓷制作，其高溫服役溫度為要求為1800°C-2200°C，振動(dòng)棒在服役溫度下能保持足夠的強(qiáng)度和良好的抗氧化性。
[0022]作為優(yōu)選，低頻立體共振場采用固定振動(dòng)頻率，高頻立體共振場采用線性加載頻率。
[0023]作為優(yōu)選，振動(dòng)源的振動(dòng)頻率為10?2000Hz、振幅為0.05?2.00mm，加速度為I?20m/s2，振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1000?8000rmp，振動(dòng)棒激振力為0-25KN。
[0024]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025]1、在鐵水剛充滿鑄型腔之后，經(jīng)鑄型腔的澆口或冒口處由振動(dòng)棒施加的低頻立體共振場，可促使金屬液態(tài)充滿型腔，克服傳統(tǒng)鑄造過程中常出現(xiàn)的氣孔、夾雜、偏析、縮孔等鑄造缺陷，獲得表面質(zhì)量更好的鑄件；
[0026]2、在鐵水共晶點(diǎn)附近實(shí)施高頻立體共振，可提高鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，增加形核數(shù)量，利于結(jié)晶晶體組織細(xì)化；
[0027]3、鐵水凝固過程中的高頻立體共振，可使已形成的支晶臂被剪切、折斷、破碎，形成新的細(xì)小晶粒，改善碳化物形態(tài)，避免相成分及元素偏析，獲得的鑄件具有更小的平均晶體尺寸；
[0028]4、本發(fā)明工藝簡單，成本較低，操作簡便，無污染，適應(yīng)面廣，可明顯提高鑄件質(zhì)量，降低其殘余應(yīng)力，提高鑄件成形尺寸精度，有效提升大型床身鑄件的綜合性能。
【附圖說明】
[0029]圖1為實(shí)施例的某數(shù)控龍門加工機(jī)床床身鑄件顯微組織SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0031]實(shí)施例1:
[0032](I)成分為標(biāo)準(zhǔn)灰鑄鐵 HT300:C 2.9?3.2Μη 0.9?1.1Si I.2?I.5Ρ彡 0.15S彡0.12；
[0033 ] (2)將廢鋼、硅鐵、錳鐵、低碳鉻鐵、銅等原料置于2.51中頻感應(yīng)電爐中熔煉，采用硅鐵、錳鐵脫氧，用硅-鈣擴(kuò)散脫氧精煉，熔煉溫度為1400?1500°C，鐵水出爐溫度不低于1430 °C，澆注溫度為1350 °C。
[0034](3)砂型制作，砂型用石英砂制作，水玻璃做粘結(jié)劑，二氧化碳固化，砂型經(jīng)壓實(shí)、緊致，在鑄型表面涂刷鋯英粉涂料，合箱，鎖箱。
[0035](4)在鐵水注滿鑄型腔之后，在冒口處探入振動(dòng)棒，通過小波頻譜分析技術(shù)，采用激振方式對液態(tài)金屬的一階頻率、二階頻率、三階頻率及N階頻率進(jìn)行測定，并以此確定加載振動(dòng)場頻率和參數(shù)。
[0036](5)經(jīng)鑄型腔的冒口處由振動(dòng)棒施加10Hz低頻立體共振場2min，以促使金屬液態(tài)充滿型腔；
[0037](6)在鐵水冷卻至共晶點(diǎn)附近1150°C內(nèi)實(shí)施1000Hz高頻立體共振2min，提高鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，并使已成形的支晶破碎打斷，形成新的細(xì)小晶粒；
[0038](7)靜置鑄件砂型，待鑄件冷卻至400 0C打箱，取出鑄件，切除冒口和澆道，打磨清理飛邊。
[0039]該鑄件為某數(shù)控龍門加工機(jī)床床身鑄件，顯微組織SEM圖如圖1所示。
[0040]經(jīng)本發(fā)明方法制備的低應(yīng)力HT300的殘余應(yīng)力，依據(jù)中國人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)邛八5926-2005中5.3條規(guī)定的殘余應(yīng)力檢測法中的盲孔法檢測，鑄件未使用振動(dòng)凝固工藝成形后的8點(diǎn)隨機(jī)殘余應(yīng)力平均值為212MPa，經(jīng)本發(fā)明工藝制備成形的鑄件，8點(diǎn)隨機(jī)殘余應(yīng)力平均值為142MPa，殘余應(yīng)力消減率為33.02%，應(yīng)力均化度為30.19%。
[0041 ] 實(shí)施例2:
[0042]以實(shí)施例1的步驟進(jìn)行振動(dòng)凝固，其余工藝參數(shù)及過程同實(shí)施例1，不同之處在于所選的鑄件材料化學(xué)成分不同，本例鑄件化學(xué)成分為HT250: C 3.16?3.30Mn 0.89?1.04Si 1.79?1.93Ρ 0.120?0.170S 0.094?0.125。經(jīng)本發(fā)明方法制備的低應(yīng)力HT250的殘余應(yīng)力，依據(jù)中國人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)邛八5926-2005中5.3條規(guī)定的殘余應(yīng)力檢測法中的盲孔法檢測，鑄件未使用振動(dòng)凝固工藝成形后的8點(diǎn)隨機(jī)殘余應(yīng)力平均值為198MPa，經(jīng)本發(fā)明工藝制備成形的鑄件，8點(diǎn)隨機(jī)殘余應(yīng)力平均值為127MPa，殘余應(yīng)力消減率為35.86%,應(yīng)力均化度為32.45 %。
[0043]實(shí)施例3:
[0044]以實(shí)施例1的步驟進(jìn)行振動(dòng)凝固，其余工藝參數(shù)及過程同實(shí)施例1，不同之處在于所選的鑄件材料化學(xué)成分不同，本例鑄件化學(xué)成分為HT350: C: 2.8?3.4S1: 1.8?2.3MnI.0?I.3S0.045p: 0.045。經(jīng)本發(fā)明方法制備的低應(yīng)力HT250的殘余應(yīng)力，依據(jù)中國人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)邛八5926-2005中5.3條規(guī)定的殘余應(yīng)力檢測法中的盲孔法檢測，鑄件未使用振動(dòng)凝固工藝成形后的8點(diǎn)隨機(jī)殘余應(yīng)力平均值為158MPa，經(jīng)本發(fā)明工藝制備成形的鑄件，8點(diǎn)隨機(jī)殘余應(yīng)力平均值為23 IMPa，殘余應(yīng)力消減率為31.60%，應(yīng)力均化度為27.13%。
[0045]實(shí)施例4:
[0046]以實(shí)施例1的步驟進(jìn)行振動(dòng)凝固，所選材料及工藝參數(shù)同實(shí)施例1，不同之處在于振動(dòng)凝固的實(shí)施方法不同，本例的振動(dòng)凝固在實(shí)施例1中的第(5)步驟中經(jīng)鑄型腔的冒口處由振動(dòng)棒施加10Hz低頻立體共振場5min，以促使金屬液態(tài)充滿型腔。本例獲得的有益效果在于低頻振動(dòng)促進(jìn)了液態(tài)金屬的充型，減少了傳統(tǒng)鑄造過程中常出現(xiàn)的氣孔、夾雜、偏析、縮孔等鑄造缺陷，獲得了更為良好的表面質(zhì)量。
[0047]實(shí)施例5:
[0048]以實(shí)施例1的步驟進(jìn)行振動(dòng)凝固，所選材料及工藝參數(shù)同實(shí)施例1，不同之處在于振動(dòng)凝固的實(shí)施方法不同，本例的振動(dòng)凝固在實(shí)施例1中的第(6)步驟中在鐵水冷卻至共晶點(diǎn)附近1150 0C內(nèi)實(shí)施1000Hz高頻立體共振4min，以提高鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，本例獲得的有益效果在于高頻振動(dòng)使已成形的支晶破碎打斷，形成新的細(xì)小晶粒，獲得的鑄件平均晶體尺寸下降14%?22%。
[0049]實(shí)施例6:
[0050]以實(shí)施例1的步驟進(jìn)行振動(dòng)凝固，所選材料及工藝參數(shù)同實(shí)施例1，不同之處在于振動(dòng)凝固的實(shí)施方法不同，本例的振動(dòng)凝固在實(shí)施例1中的第(5)、(6)步驟中分別經(jīng)鑄型腔的冒口處由振動(dòng)棒施加10Hz低頻立體共振場5min，再在鐵水冷卻至共晶點(diǎn)附近1148°C內(nèi)實(shí)施1200Hz高頻立體共振3min。本例獲得的有益效果在于低頻振動(dòng)促進(jìn)了液態(tài)金屬的充型，減少了傳統(tǒng)鑄造過程中常出現(xiàn)的氣孔、夾雜、偏析、縮孔等鑄造缺陷，獲得了更為良好的表面質(zhì)量，第二步高頻振動(dòng)提高了鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，并使已成形的支晶破碎打斷，形成新的細(xì)小晶粒，獲得的鑄件平均晶體尺寸下降18%?31%。
[0051 ] 實(shí)施例7:
[0052]以實(shí)施例6的步驟進(jìn)行振動(dòng)凝固，所選材料及工藝參數(shù)同實(shí)施例6，不同之處在于振動(dòng)凝固的實(shí)施對象不同，本例的振動(dòng)凝固實(shí)施對象為管道砂輪磨床床身鑄件，鑄件材質(zhì)為HT300，鑄件重量約為1t，鑄件尺寸為:8300 X 1060 X 560mm，床身導(dǎo)軌長度為8米，導(dǎo)軌壁厚125mm，其他壁厚35?40mm，選擇如實(shí)施例6中的低頻振動(dòng)加高頻立體共振分別實(shí)施5min、3min。本例獲得的有益效果在于低頻振動(dòng)促進(jìn)了液態(tài)金屬的充型，減少了傳統(tǒng)鑄造過程中常出現(xiàn)的氣孔、夾雜、偏析、縮孔等鑄造缺陷，獲得了更為良好的表面質(zhì)量，第二步高頻振動(dòng)提高了鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，并使已成形的支晶破碎打斷，形成新的細(xì)小晶粒，獲得的鑄件平均晶體尺寸下降17%?28%，經(jīng)盲孔法檢測鑄件使用振動(dòng)凝固工藝成形后的8點(diǎn)隨機(jī)殘余應(yīng)力平均值消減率為32.19%，應(yīng)力均化度為28.84%。
[0053]實(shí)施例8:
[0054]以實(shí)施例6的步驟進(jìn)行振動(dòng)凝固，所選材料及工藝參數(shù)同實(shí)施例6，不同之處在于振動(dòng)凝固的實(shí)施對象不同，本例的振動(dòng)凝固實(shí)施對象為某數(shù)控加工中心床身鑄件，鑄件材質(zhì)為HT300，鑄件重量約為7.5t，鑄件尺寸為:2650 X 1300 X 1280mm，床身導(dǎo)軌長度為1.2米，導(dǎo)軌壁厚120mm，其他壁厚25?30mm，選擇如實(shí)施例6中的低頻振動(dòng)加高頻立體共振分別實(shí)施5min、3min。本例獲得的有益效果在于低頻振動(dòng)促進(jìn)了液態(tài)金屬的充型，減少了傳統(tǒng)鑄造過程中常出現(xiàn)的氣孔、夾雜、偏析、縮孔等鑄造缺陷，獲得了更為良好的表面質(zhì)量，第二步高頻振動(dòng)提高了鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，并使已成形的支晶破碎打斷，形成新的細(xì)小晶粒，獲得的鑄件平均晶體尺寸下降17%?28%，經(jīng)盲孔法檢測鑄件使用振動(dòng)凝固工藝成形后的8點(diǎn)隨機(jī)殘余應(yīng)力平均值消減率為35.01%,應(yīng)力均化度為34.26%,此振動(dòng)凝固工藝對于尺寸較小的鑄件具有更明顯的應(yīng)力消除和組織均化能力。
[0055]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的；本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進(jìn)行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件，其特征在于，制備方法包括以下步驟: 1、床身鑄件的砂型制作:選用寶珠砂或硅砂作為鑄件砂型制造； 2、液態(tài)金屬熔煉和澆注:將原料熔煉，采用硅鐵、錳鐵脫氧，用硅-鈣擴(kuò)散脫氧精煉，熔煉溫度為1400?1500°C，鐵水出爐溫度不低于1430°C，澆注溫度為1350?1400°C， 3、立體振動(dòng)凝固: (1)在鐵水凝固過程中，通過小波頻譜分析技術(shù)，采用激振方式對液態(tài)金屬凝固狀態(tài)下的一階頻率、二階頻率、三階頻率及N階頻率進(jìn)行測定，并以此確定加載振動(dòng)場頻率和參數(shù)； (2)在鐵水剛充滿鑄型腔時(shí)，經(jīng)鑄型腔的澆口或冒口處由振動(dòng)棒施加10-200HZ低頻立體共振場，以促使金屬液態(tài)充滿型腔； (3)在鐵水冷卻至Fe-C共晶點(diǎn)附近±50°C內(nèi)實(shí)施200-2000HZ高頻立體共振，提高鐵水過冷度，促進(jìn)凝固形核，并使已形成長大的支晶被破碎打斷，形成新的細(xì)小晶粒； (4)靜置鑄件砂型，待鑄件冷卻至350?450°C打箱，取出鑄件，切除冒口和澆道，打磨清理飛邊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件，其特征在于，所述的原料，化學(xué)成分為HT350?HTl 50中的任意一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件，其特征在于，所述的鐵水出爐溫度為1450°C，澆注溫度為1400 °C。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件，其特征在于，所述的低頻立體共振場采用固定振動(dòng)頻率，高頻立體共振場采用線性加載頻率。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的振動(dòng)凝固低應(yīng)力床身鑄件，其特征在于，所述的振動(dòng)棒的振動(dòng)源，振動(dòng)頻率為10?2000Hz、振幅為0.05?2.00mm，加速度為I?20m/s2，振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1000?8000rmp，振動(dòng)棒激振力為0-25KN。
【文檔編號】B22D27/08GK105945261SQ201610532488
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】范洪遠(yuǎn), 周長春, 吳亞楠, 王均, 孫蘭, 殷國富
【申請人】四川大學(xué)