机床工作台材质为 HT300,其内腔多 、 结构复杂 。 最初选择大平面朝下及整体上箱的 铸造工艺 ， 采用组芯造型和底注封闭式浇注系统 。 利用 ProCAST软件验证了该铸造工艺的可 行性 ， 并预测了铸件产生缺陷的部位 。 根据预测的结果 ， 增加了冒口和冷铁 ， 优化了工艺方 案 ， 最终消除了缩孔和缩松缺陷 ， 得到最佳工艺方案 。关键词 ： 机床工作台 ； 组芯造型 ； 模拟作者简介 ：李彬 （ 1996-） ,男 ， 硕 士生 ， 研究方向为材料 先进成形技术 。 电话 ：1 8482 1 56825 , E-mail: mkakaroto@ 163.com通讯作者 ：曾明 ， 男 ， 教授 ， 博士 。 电话: 13008159602, E-mail: zmcgyxh@ 163.com中图分类号 ： TG24文献标识码 ： A文章编号: 1001-4977（2020）07-0764-05收稿日期 ：2020-01-19收到初稿 ，2020-04-20收到修订稿 。机床工作时 ， 一般通过工作台下的传动机构改变工作台空间位置 ， 达到加工不 同位置平面和曲面的目的 ， 工作台的质量决定了被加工零件的质量 。 为了得到力学 性能优良 、 无铸造缺陷的机床工作台铸件 ， 工艺方案的设计十分重要 1 切 。 CAE数 值模拟软件可分析岀工艺方案的合理性 ， 对指导和改进工艺方案都有极大的实际帮 助 。 本研究即通过 ProCAST软件对设计的机床工作台铸造工艺方案进行模拟验证 。“1 零件介绍机床工作台作为机床的工作平面 ， 必须具有减震作用 ， 使工件在加工过程中保 持平稳 ， 提高工件的加工精度 。 同时 ， 工作台还应满足耐潮 、 耐磨 、 耐蚀和耐热性 好等特点 。 加工时 ， 工件通常是固定在工作台的 T型槽上 ， 因此要求 T型槽具有良好 的力学性能和高的精度 。机床工作台如图 1所示 ,零件重约 250 kg,最大外轮廓尺寸为 1 000 mm x 500 mm x 259 mm,最大壁厚 50 mm,最小壁厚 15 mm,加强筋较多且壁厚在 15-25 mm,加强 筋交叉处及加强筋与铸件壁交接处均为热节部位 ， 易出现缩松缺陷 ； 铸件空腔结构 较复杂 ， 砂芯设计难度大 。零件材质为 HT300,强度高 、 耐磨性好 ， 且具有良好的减震性 ， 符合机床工作 台的要求 ， 但其铸造性能较差 ， 需通过人工时效处理来进一步提高铸件性能 W2铸造工艺设计机床工作台尺寸虽相对较小 ， 但结构复杂 ， 无法实现机械造型 ， 只能采用手 工造型生产 。 为减少砂铁比 ， 造型材料选择刚度好 、 易紧实 、 溃散性好的咲喃树脂 砂 ； 涂料选用无污染 、 成本低的醇基石墨涂料 ； 采取一箱一件生产 。工作台 T型槽所在位置为其工作面 ， 工作时承受一定应力 ， 容易导致表面出现裂 纹 ， 因此工作台生产时应优先考虑该平面质量 ， 不能使缩松缩孔以及熔渣等产生 ， 应具有较好的平整性 。 通过分析 ， 最终选定 T型槽所在工作面位于底面 ， 浇注时气 体 、 熔渣等上浮 ， 使该平面质量得到保证 ； 分型面位于最大投影面处 ， 即浇注位置 底面 ， 能保证 T型槽工作面质量 ， 砂芯数减少 ， 铸件整体性好 。在单件 、 小批生产时 ， 孔径小于 30 mm、 孔深与其直径比大于 4时 ， 孔不便 铸出 ， 机械加工反而更为方便 「7。 零件的不铸出孔和槽如图 2所示 ， 该 T型槽宽 182020年第 7期 /第 69卷 工艺技术 FOUNDRYmm、 槽深 32 mm, T型头宽 30 mm、 深 12 mm,可见其 尺寸较小 ， 不便直接造型 ； 如采用砂芯 ， 长而薄的结构 会导致砂芯强度不够 ， 极易被金属液冲毁 ， 不仅无法成 形 ， 还会进一步恶化整个铸件的质量 ， 因此最好选择机 加工 。 另外 ， 在铸件表面还有较多的螺纹孔系 ， 由于孔 径较小 ， 均不铸出 。2.1砂芯方案工作台的内腔较多 ， 并分布有交叉的加强筋 ， 直 接造型极为困难 ， 因此需采用砂芯 。 根据确定的浇注 位置和分型面来看 ， 砂芯只能采用吊芯 ， 吊芯无下芯 头 ， 一定程度上可节约砂成本 ， 但吊芯不易固定巾 ， 如 何设置砂芯且固定牢靠 ， 是设计的重点 。为制芯取芯方便 ， 使用组芯造型 。 其中砂芯之间采 用圆柱或方形头樺头组装 ， 使砂芯保持整体性 ， 且方便 定位和固定 。 砂芯方案见图 3, 1“ 芯位于工作台宽度方向 的两侧 ， 成对称位置 ， 且形状大小一样 ， 可节省工装 ， 在砂芯两端均用方形头与铸型的吊胎相连 ， 目的是保证 两端圆角可铸出 ； 2“ 芯位于铸件的中心 ， 包括宽度方向 的两个空腔一起制岀 ； 3“ 和 4“ 芯分别位于用来成形 U型 凸台的 5* 芯两侧 ， 连同直径为 30 mm的两个通孔一同制 出 ， 为保证圆孔两端圆角能铸出 ， 同样与吊胎装配在一 起 ； 5 ”芯坐落在牢芯头上 ， 保证砂芯的定位 。图 1机床工作台零件三维图Fig. 1 Three dimensional drawing of platen2.2浇注系统的设计对于 lot以下的中 、 大型铸铁件 ， 浇注时间计算式 如下注t = ( 1 )式中 ： /为浇注时间 ， S； S为经验系数 ， 取 2； m为铸件 质量 ， kg； 5表示铸件平均壁厚 ， m。 取 S=2,平均壁 厚 30 mm,质量 250 kg,代入式 (1 ),得到浇注时间 约为 40 s。根据铸件特点 ， 使用底注封闭式浇注系统 ， 确定 浇道比为 S直: S檢: S内 =1.5:1.2:1 ； 设置横浇道为两根,内 浇道四根 ， 沿铸件宽度方向均匀分布 ， 其中 ， 横浇道 和内浇道的截面均为梯形 ， 内浇道尺寸 a=50mm,方 = 35 mm, h=20 nim；横浇道尺寸为 a=55 mm, b=55 mm, /1=40 mm；直浇道下圆直径 60 mm,上圆直径 70 mm；因 直浇道的长度决定了上砂箱的高度 ， 影响砂的用量 ， 为减小砂铁比 ， 直浇道的高度应合理选取 ， 其高度应 满足最小剩余压头高度要求 ， 最小剩余压头高度计算 如下冋:h m ^L x tana ( 2 )式中 ： 几为最小剩余压头高度 ， mm；厶为铸件最高最 远点到直浇道中心线的水平距离 ， mm； a为压力角 。 取 ar=6° , £=1 167 mm,得出 h m ^ 122.66 mm,加上铸图 2不铸出孔和槽Fig. 2 Non-cast holes and grooves件本身高度 ， 取直浇道长度为 400 mm。 浇注系统均通 过模板造型做出 ； 底部为大平面 ， 宜采用倾斜浇注 ， 倾斜角度设置为 10° 15-81,为更直观观察倾斜浇注对充 型的影响 ， 将平浇作为对比方案 。3数值模拟及优化利用 ProCAST软件对砂型铸造的充型和凝固过程 进行模拟 。 将方案导入模拟软件 ， 划岀三维网格数约 为 206万个 ， 模拟中设置浇注时间为 40 s,浇注温度为 1 380 V. ， 倾斜浇注角度为 10 。 ， 铸件和铸型 、 铸 型和冷铁以及铸件与冷铁之间的热交换系数分别为766 ■谣诰 FOUNDRY 工艺技术 Vol.69 No.7 2020500 W/ ( m: • K )、 900 W/ ( m2 • K )和 2 000 W/ (m: • K )。3.1充型模拟充型模拟对比见图 4。 图为金属液填充到铸件各部 位的时间图 ， 从时间颜色变化反应金属液在型腔内的 流动情况 。 两种方案的充型时间均在 40 s左右 ， 与计算 结果相符 。 从图中可看出 ， 倾斜浇注方案的充型时间 色层呈现出阶梯状 ， 分布十分均匀 ， 证明充型过程平 稳 ， 金属液在型腔内均匀上升 ， 未发现飞溅等现象 ， 说明浇注系统方案可行 。 平浇方案的色层间为复杂的 曲面 ， 根据充填时间分布来看 ， 金属液刚进入型腔时 阻力小 、 流速快 、 直冲到尾端 ， 被型腔壁阻挡后翻卷 流回 ， 出现卷气 、 飞溅等现象 ， 造成液面扰动大 ， 整 个充型较为紊乱 ， 金属液极易氧化 ， 恶化铸件质量 。 因此 ， 倾斜浇注方案更优 。铸件温度场分布见图 5a。 铸件 T型槽所在工作面以 及铸件最上部为铸件厚大位置 ， 最大热节达 55 mm ,图 3砂芯 7F意图Fig. 3 Schematic diagram of sand cores时间 (t).40.29时间 (t).13.432. Chengdu Xinhang Industrial Technology Co., Ltd., Chengdu 611730, Sichuan, China; 3. Chongqing Qingling Casting Co., Ltd., Chongqing 400707, China)Abstract:The platen of machine tool is made of HT300. It has many inner cavities and the structure is complex. The casting process was designed with large plane downward and overall part in the cope to ensure the casting quality, and the core assembly molding and the pressurized bottom gating system were adopted. By using software ProCAST, the platen casting simulation analysis was conducted, and the positions of the casting defects were predicted. According to the predicted results, the risers and chills were added and the casting process was optimized. Finally, the shrinkage defects were eliminated, and the optimal process was obtained.Key words:platen; core assembly molding; simulation(编辑 ： 潘继勇 ， pjy@fbundryworld.com )
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