CN106734891A - 低应力高精度大型床身铸件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型床身铸件的制备工艺及应用，尤其是涉及低应力高精度大型床身铸件的制备方法，具体技术工艺包括从化学成分的控制、铸造过程的控制以及铸后时效应力去除，在残余应力的产生阶段进行控制工艺中，一方面化学成分控制高碳当量，高硅碳比，降低收缩率，改善铸造及加工性能；另一方面控制铸造过程中的熔炼及浇铸工艺，改善其组织均匀性；铸后时效处理去除残余应力中，通过对铸件进行热时效处理以及振动时效处理，进一步降低铸件残余应力。本发明成本低、操控性好，无污染、减小铸件残余应力，提高铸件尺寸精度，进而有效保障高档大型精密机床的工作精度。

Description

低应力高精度大型床身铸件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种大型床身铸件的制备工艺及应用，尤其是涉及低应力高精度大型床身铸件的制备方法。

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％，重量一般在数十吨吨至上百吨之间，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铸造过程中产生的变形，以及铸后的应力残余引起零件微观形变。上述两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，通过控制化学成分、铸造工艺以及后处理，来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生产工艺及其应用，解决现有大型床身铸件成分及组织易于不均匀，残余应力过大的问题，目的在于均匀铸件组织，获得低应力高精度的铸件。用于加工长度＞10米的高精度大型机床床身部位。

本发明是通过控制化学成分、铸造工艺以及后处理来实现的，其技术方案包括以下步骤：

(1)化学成分设计，按照质量百分比，高碳当量为3.8％～3.85％、高硅碳比为0.72～0.82，具体元素含量如下：C 3.05％～3.10％，Si 2.20％～2.30％，Mn 0.8％～1.10％，S0.06％～0.08％，P 0.03％～0.05％，Cu 0.4％，Sn 0.03％；视铸铁牌号和达标情况，可在上述成分的基础上加入0.2％～0.3％Mo及0.05％Nb。

(2)床身铸件的砂型制作：增加铸型和型芯的退让性，浇冒口设置位于铸件质心部位，实现铸件各部分均衡凝固，消除铸造缺陷；提高砂型精度，减少飞边毛刺；设置变截面冷却筋改变铸件应力的分布与大小；

(3)液态金属熔炼、孕育及浇注：将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℃，孕育剂采用组合添加原料0.3％的Si-Ca及0.3％的Si-Ba两种孕育剂，强化并延长孕育效果且使石墨略微蠕化，必要时添加部分Re-Si-Fe。孕育剂预热到200℃再加入，铁水出炉温度不低于1430℃，浇注温度为1360～1400℃，浇铸后及时搬开压铁，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；

浇注时，在浇铸冷却至750～350℃温度区间时设置保温平台(1～2个，视铸铁牌号、铸件大小与结构)，如在550℃设置保温平台，保温1小时以上，然后空冷。并且延长铸件留在铸型内冷却时间，150～200℃以下打箱。

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℃。

(4)后处理：

①热时效处理：控制去应力退火的升降温速度，升温速度30～50℃/h，升降温过程中每隔100℃设1h温度停留平台以均衡温度；在350℃～200℃阶段，降温速度10℃/h；出炉温度不高于200℃，热处理炉的温度差≤10℃；

②振动时效处理：根据不同的铸铁牌号和铸件结构确定振动时效工艺，选择振型比较均匀的低阶固有频率进行激振，激振点选择该阶振型的波峰位置，铸件支撑点选择在该阶振型的节线处。

本发明具有以下有益效果：

1、在残余应力的产生阶段对铸件化学成分的控制以及铸造工艺的控制，获得组织、结构均匀的铸件，可以实现从本质上大幅降低残余应力的产生，进而实现高精度的目标；

2、对制备好的床身铸件进行热时效及振动时效处理，可在1的基础上进一步降低残余应力；

3、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为本发明的流程图；

图2为经振动凝固工艺处理成形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：

如图1所示的流程，包括以下具体步骤：

(1)成分为标准灰铸铁HT300：按照质量百分比，C 3.05～3.10，Si 2.20～2.30，Mn0.8～1.10，S 0.06～0.08，P 0.03～0.05，Cu 0.4，Sn 0.03；

(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℃，孕育剂采用Si-Ca+Si-Ba复合孕育剂(预热到200℃)，铁水出炉温度＞1430℃，浇注温度为1360～1400℃；

(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750～350℃温度区间冷却时设置保温平台，保温1小时以上，并且延长铸件留在铸型内冷却时间；

(5)静置铸件砂型，待铸件冷却至150～200℃打箱，取出铸件，切除冒口和浇道，打磨清理飞边；

(6)对获得的铸件进行热处理时效，其工艺为：以30～50℃/h的升温速度升温至550℃保温6小时，升降温过程中每隔100℃设1h温度停留平台以均衡温度；降温速度一般在30℃/h，在350℃～200℃阶段，降温速度10℃/h，冷却到小于150℃出炉。

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，铸件未使用该工艺成形后的8点随机残余应力平均值为214MPa，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143MPa，残余应力消减率为32.4％，应力均化度为32.7％。图1为经振动凝固工艺处理成形的某数控龙门加工机床床身铸件显微组织SEM图；铸件材料显微组织中珠光体呈细片状均匀分布，石墨等级为4～5级，珠光体含量大于98％，余量为铁素体。

实施例2：

以实施例1的步骤进行铸造及后处理，其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C 3.05～3.10，Si 2.20～2.30，Mn0.8～1.10，S 0.06～0.08，P 0.03～0.05，Cu 0.6，Sn 0.05，Cr 0.2～0.3。经本发明方法制备的铸件的残余应力，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，铸件未使用该工艺工艺成形后的8点随机残余应力平均值为201MPa，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124MPa，残余应力消减率为35.4％，应力均化度为32.9％。

实施例3：

以实施例1的步骤进行铸造及后处理，其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C 3.05～3.10，Si 2.20～2.30，Mn0.8～1.10，S 0.06～0.08，P 0.03～0.05，Cu 0.4，Mo 0.2～0.3，Sn 0.03，Cr 0.2～0.3。经本发明方法制备的铸件的残余应力，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，铸件未使用该工艺成形后的8点随机残余应力平均值为237MPa，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162MPa，残余应力消减率为31.9％，应力均化度为27.2％。

实施例4：

以实施例1的步骤进行铸造及后处理，其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C 3.05～3.10，Si 2.20～2.30，Mn0.8～1.10，S 0.06～0.08，P 0.03～0.05，Cu 0.4，Mo 0.2～0.3，Sn 0.03，Cr 0.2～0.3，Nb0.05。经本发明方法制备的铸件的残余应力，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，铸件未使用该工艺成形后的8点随机残余应力平均值为237MPa，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163MPa，残余应力消减率为31.6％，应力均化度为27.8％。

实施例5：

以实施例1的步骤进行铸造，所选材料和工艺参数及过程同实施例3，不同之处在于所选的后处理方法不同，本例在步骤(6)的后处理采用振动时效处理，其振动源的振动频率为2000Hz、振幅为1.00mm，加速度为10m/s²，振动电机转速范围为6000rmp，振动棒激振力为20KN。经本发明方法制备的铸件的残余应力，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，铸件未使用该工艺成形后的8点随机残余应力平均值为230MPa，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140MPa，残余应力消减率为35.6％，应力均化度为29.7％。

实施例6：

以实施例1的步骤进行铸造，所选材料和工艺参数及过程同实施例3，不同之处在于所选的后处理方法不同，本例在步骤(6)的后处理采用热时效+振动时效处理，其热时效工艺为：以40℃/h的升温速度升温至550℃保温6小时，升降温过程中每隔100℃设1h温度停留平台以均衡温度；降温速度一般在30℃/h，在350℃～200℃阶段，降温速度10℃/h，冷却到小于150℃出炉；振动时效工艺参数与例5相同。经本发明方法制备的铸件的残余应力，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，铸件未使用该工艺成形后的8点随机残余应力平均值为207MPa，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106MPa，残余应力消减率为39.1％，应力均化度为30.2％。

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 (6)

1.低应力高精度大型床身铸件的制备方法，其特征在于，包括以下过程：

(1)化学成分设计，按照质量百分比，高碳当量为3.8％～3.85％、高硅碳比为0.72～0.82，具体元素含量如下：C 3.05％～3.10％，Si 2.20％～2.30％，Mn 0.8％～1.10％，S0.06％～0.08％，P 0.03％～0.05％，Cu 0.4％，Sn 0.03％；

(2)床身铸件的砂型制作：增加铸型和型芯的退让性，浇冒口设置位于铸件质心部位，实现铸件各部分均衡凝固，消除铸造缺陷；提高砂型精度，减少飞边毛刺；设置变截面冷却筋改变铸件应力的分布与大小；

(3)液态金属熔炼、孕育及浇注：将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℃，孕育剂采用组合添加原料0.3％的Si-Ca及0.3％的Si-Ba两种孕育剂，孕育剂预热到200℃再加入，铁水出炉温度不低于1430℃，浇注温度为1360～1400℃，浇铸后及时搬开压铁，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；

(4)后处理：进行热时效处理和振动时效处理。

2.根据权利要求1所述的低应力高精度大型床身铸件的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，根据铸铁牌号和达标情况，再加入质量百分比0.2％～0.3％Mo及0.05％Nb。

3.根据权利要求1所述的低应力高精度大型床身铸件的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，浇注时，在浇铸冷却至750～350℃温度区间时设置1～2个保温平台。

4.根据权利要求1所述的低应力高精度大型床身铸件的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，铁水熔炼采用中频感应电炉。

5.根据权利要求1所述的低应力高精度大型床身铸件的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，铁水出炉温度为1450℃，浇注温度为1400℃。

6.根据权利要求1所述的低应力高精度大型床身铸件的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，后处理具体过程包括以下步骤：

①热时效处理：控制去应力退火的升降温速度，升温速度30～50℃/h，升降温过程中每隔100℃设1h温度停留平台以均衡温度；在350℃～200℃阶段，降温速度10℃/h；出炉温度不高于200℃，热处理炉的温度差≤10℃；

②振动时效处理：根据不同的铸铁牌号和铸件结构确定振动时效工艺，选择振型比较均匀的低阶固有频率进行激振，激振点选择该阶振型的波峰位置，铸件支撑点选择在该阶振型的节线处。