機(jī)床立柱是機(jī)床重要的結(jié)構(gòu)件，起著支撐橫梁上下運(yùn)動的作用。根據(jù)立柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，以及企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，確定了合理的工藝方案，包括鑄件分型面、澆注位置，各類工藝參數(shù)和澆注方法等，生產(chǎn)出合格的大型立車立柱，滿足了立柱的技術(shù)要求。
大型數(shù)控立式車床（以下簡稱“立車”）立柱是機(jī)床的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件，立柱主要對立車橫梁、刀架體及滑枕等參與切削加工的部件起支撐和穩(wěn)定的作用，滿足橫梁沿立柱導(dǎo)軌的Z向運(yùn)動，并在間接承受切削力、振動、溫度變化等惡劣條件下工作。為滿足數(shù)控立式車床的加工要求，立車立柱要求具有足夠高的構(gòu)件強(qiáng)度和剛度，良好的抗振性和抗熱變形能力，所以其結(jié)構(gòu)剛性、減振性能、導(dǎo)軌面硬度等方面要求較高，使得立車立柱的工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造難度較大。
1 立車立柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求
1.1 立車立柱的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
立車立柱內(nèi)部是多層結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度高，輪廓尺寸大、加工行程長，壁厚不均勻、生產(chǎn)難度大，屬于超大、超重型、高強(qiáng)度灰鑄鐵件。鑄造過程中體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，澆注的鐵液量多，鑄件冷卻時間長，易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、裂紋、力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)等鑄造缺陷，并且生產(chǎn)過程控制難度較大。因此，對工藝設(shè)計(jì)提出了更高的要求。筆者以輪廓尺寸為11 000 mm×2 600 mm×1 250 mm，凈重42 750 kg，毛重46 500 kg，最小壁厚35 mm，最大壁厚154 mm的立車立柱為例展開研究，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 立車立柱
1.2 立車立柱的技術(shù)要求
鑄件的材質(zhì)為HT250，立柱導(dǎo)軌硬度180～230 HBW，立柱導(dǎo)軌面不允許有縮孔、裂紋、砂眼、夾砂等鑄造缺陷。
根據(jù)立車立柱鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要導(dǎo)軌面的技術(shù)要求，從造型材料及造型方式、鑄件的工藝性、分型位置選取、砂芯設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行工藝分析和設(shè)計(jì)。
2.1 造型材料及造型方式
采用樹脂砂生產(chǎn)鑄件具有尺寸精度高、表面光潔度好的優(yōu)勢，但同時也存在易粘砂、易出現(xiàn)氣孔等問題，特別是大型鑄件鐵液量大，凝固時間長，更易產(chǎn)生這些缺陷。因此，在生產(chǎn)中需要控制好再生砂的質(zhì)量，同時增加砂型的排氣，減少砂型的發(fā)氣量。
根據(jù)立柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、尺寸大小及實(shí)際生產(chǎn)條件，采用地坑實(shí)樣造型。
2.2 鑄件的工藝性分析
對立柱的鑄造工藝性進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，立柱背面直角處結(jié)構(gòu)容易開裂，建議設(shè)計(jì)人員采用斜面過渡，同時在壁厚的急劇變化處，增加了工藝?yán)?，以防止裂紋的出現(xiàn)。
運(yùn)用鑄造數(shù)值模擬，分析導(dǎo)致鑄件厚大部位、導(dǎo)軌面等產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷趨勢的原因，優(yōu)化澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵設(shè)計(jì)，保證鑄件各部冷卻均衡，以減小鑄造應(yīng)力，防止鑄件產(chǎn)生裂紋和縮孔、縮松缺陷。
2.3 鑄件分型面的選取
分型面的確定應(yīng)考慮：質(zhì)量要求較高的表面應(yīng)放在下面或側(cè)面；鑄件的大平面應(yīng)放在下面；有利于鑄件實(shí)現(xiàn)方向性凝固及便于放置補(bǔ)縮冒口；為減少披縫和錯箱，保證鑄件尺寸及外觀質(zhì)量，鑄件應(yīng)盡量置于同一砂型中。
根據(jù)分型面的選擇原則及立柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、生產(chǎn)條件等，為保證立柱導(dǎo)軌面質(zhì)量，以及實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，立柱的分型面和澆注位置見圖2。
圖2 立柱澆注位置
2.4 鑄件的砂芯設(shè)計(jì)
砂芯設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少砂芯的分割和芯撐的使用；要便于從制芯到下芯的過程和砂芯出氣；另外，砂芯定位要準(zhǔn)確、固定要牢靠。立柱內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大，砂芯數(shù)量達(dá)37個，由于兩端砂芯上部沒有出氣孔，因此通過連接側(cè)面的出氣道來排氣。
2.5 鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)
立柱澆注系統(tǒng)采用底注式，鐵液從立柱的下平面進(jìn)入型腔，如圖2所示。采用底注式澆注系統(tǒng)，金屬液充型較平穩(wěn)，液面是逐漸升高的，避免了沖擊、飛濺和氧化，有利于鐵液中雜質(zhì)的上浮及型腔內(nèi)氣體排出，從而有效防止了鑄件導(dǎo)軌產(chǎn)生渣、氣孔等缺陷。
用澆注比速來計(jì)算澆注系統(tǒng)的尺寸。此法可用于各種合金、各類鑄件的澆注系統(tǒng)計(jì)算，主要用在大型和重型鑄件上。
式中，G為流經(jīng)S阻流截面的液體金屬質(zhì)量（kg）；T為澆注時間(s)；K為單位面積的澆注速度(kg/cm2·s)；L為金屬液流動系數(shù)。筆者選取鑄件液體金屬質(zhì)量為52 000 kg，澆注時間為206 s，澆注速度為0.9 kg/cm2·s，金屬液流動系數(shù)取1。
通過公式計(jì)算，同時結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，澆注時要快速充滿鑄型，取∑S內(nèi)=281 cm2。
（b）澆注系統(tǒng)采用半封閉式澆注系統(tǒng)。半封閉式澆注系統(tǒng)充型快，擋渣效果好，不易卷入氣體。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)公式，∑S直=1.2×∑S內(nèi)=337 cm2；∑S橫=1.4×∑S內(nèi) =393 cm2。
2.6 冒口、冷鐵設(shè)置
立柱導(dǎo)軌和上下端面螺包處壁厚大，易形成縮孔、縮松，需要采用冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，為保證兩導(dǎo)軌補(bǔ)縮順暢，兩導(dǎo)軌之間還采用過道進(jìn)行連接。為防止縮孔、縮松，立柱共設(shè)置了方形明冒口20個。
為防止縮孔、縮松，保證立柱導(dǎo)軌組織致密和冒口的補(bǔ)縮距離，在導(dǎo)軌等厚大部位設(shè)置外冷鐵進(jìn)行激冷，整個立柱共放置了256塊外冷鐵。
2.7 其他工藝參數(shù)的選擇
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，鑄件收縮率為1%。
根據(jù)鑄件尺寸大小、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鑄件的機(jī)械加工余量按GB/T 6414-2017選取。
根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及環(huán)境條件，選取開箱時間為澆筑后368 h，選取立柱的保溫時間為392 h。
針對優(yōu)化后的工藝設(shè)計(jì)，編制鑄件生產(chǎn)過程控制方案和現(xiàn)場施工方案，跟蹤生產(chǎn)過程，確保澆冒系統(tǒng)等與工藝要求一致，做好工藝驗(yàn)證工作。
3.1 造型、合箱控制
（1）造型控制
根據(jù)要求使用合格的型、芯砂，保證型、芯砂24 h抗拉強(qiáng)度不低于0.8 MPa。造型、制芯過程填砂時，采用分層填砂。每層厚度控制在200 mm左右，用木棒等充分緊實(shí)，砂型不易到達(dá)的部位用手搗實(shí)。砂芯修整完清理干凈后放置4 h以上，采用流涂方式涂刷醇基涂料，砂型在起模4 h后涂刷醇基涂料，保證涂料的厚度約為1 mm，易粘砂部位應(yīng)適當(dāng)加厚。
合箱前要驗(yàn)箱，確保分型面及出氣芯頭坭條充分壓實(shí)，保證蓋箱等出氣孔通暢，合箱后正確放置澆口杯，使?jié)部诒c蓋箱直澆道對齊，并防止雜物進(jìn)入澆冒口系統(tǒng)及型腔。
3.2 熔化、澆注方案
根據(jù)鑄件的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)確定化學(xué)成分，見表1，保證鑄件性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
表1 立柱熔煉時化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
（2）澆注方案
澆注時采用兩包澆注，兩包鐵液溫度要盡量一致，溫差不超過20 ℃。出爐溫度＞1 450 ℃，澆注溫度控制在1 320～1 340 ℃。
采用上述造型、扣箱、澆注等方案生產(chǎn)出來的立車立柱，加工后情況如圖3所示,鑄件沒有出現(xiàn)縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷，試棒檢測、本體檢測金相組織和力學(xué)性能均符合GB/T 9439-2010、GB/T 7216-2009要求。目前已按此方案進(jìn)行批量生產(chǎn)。
圖3 立柱加工后情況
大型數(shù)控立式車床的立柱由于尺寸長，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、筋板多且分層，鐵液充型的行程較長、鑄件冷卻時間長，易產(chǎn)生冷隔、縮孔、縮松、氣孔、裂紋、力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)等鑄造缺陷。對于這種大型鑄件的生產(chǎn)，要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件、生產(chǎn)能力、零件的技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等各方面的因素進(jìn)行工藝分析和優(yōu)化，確定合理的鑄造工藝方案、同時嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程，才能確保鑄件的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
