馬敬仲高端數(shù)控精密機(jī)床鑄件的發(fā)展方向for百鑄網(wǎng)

1、百鑄網(wǎng)高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度、高剛度、低應(yīng)力是高端數(shù)控精密機(jī)床鑄件的發(fā)展方向目前我國(guó)機(jī)床鑄件質(zhì)量的現(xiàn)狀與發(fā)展馬敬仲 李克銳（1原北京機(jī)床一廠，北京；2鄭州機(jī)械研究所，450001）眾所周知，我國(guó)機(jī)床行業(yè)在近十幾年來已有舉足輕重的發(fā)展，生產(chǎn)機(jī)床與工具的企業(yè)有4000余家。各類型的切削加工機(jī)床產(chǎn)量已超過100萬臺(tái)，機(jī)床鑄件達(dá)350萬t，居世界第一位。其差距是高端的數(shù)控機(jī)床擋不住進(jìn)口，以美國(guó)、日本為首的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)中、高端的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)行封鎖?！?007年6月，美國(guó)開始實(shí)施的對(duì)華高科技產(chǎn)品出口管制條例中，增加了高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、五軸精密加工中心、高仿真系統(tǒng)等軍工及高技術(shù)產(chǎn)業(yè)專用裝備的出口限制。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)

2、省（原通產(chǎn)?。┫拗葡蛑袊?guó)出口高精度、復(fù)合加工 、五軸聯(lián)動(dòng)以上的高性能數(shù)控機(jī)床和五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控系統(tǒng)等 產(chǎn)品。 ”為了生產(chǎn)出高端的數(shù)控機(jī)床的精度與精度保持性，機(jī)床行業(yè)在北京建立了超精密機(jī)床工程技術(shù)研究中心。在成都成立了精密工具工程技術(shù)研究中心。在湖南建立了超硬材料及制品工程技術(shù)研究中心。在沈陽(yáng)建立了高檔數(shù)控工程研究中心。并進(jìn)行了多科目的科學(xué)研究與攻關(guān)。如“納米級(jí)加工技術(shù)及設(shè)備”，“機(jī)床工藝造型設(shè)計(jì)技術(shù)”，“虛擬軸機(jī)床技術(shù)”，“磁懸浮軸承高速主軸單元”等。但占機(jī)床重量80%以上且對(duì)機(jī)床性能有重要影響的機(jī)床鑄件，與冷加工的研究相比，有較大差距。2012年，國(guó)家下達(dá)了“高檔數(shù)控機(jī)床用鑄鐵床身精度保持成

3、套技術(shù)研究”課題，以提高數(shù)控機(jī)床鑄件的質(zhì)量。在金屬切削機(jī)床灰鑄鐵件技術(shù)條件中規(guī)定，以力學(xué)性能為驗(yàn)收的依據(jù)，化學(xué)成分不作為驗(yàn)收依據(jù)。如用戶需要可在合同中另訂。長(zhǎng)期以來，這項(xiàng)規(guī)定在我國(guó)不少機(jī)床鑄件生產(chǎn)廠造成認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)：既然以力學(xué)性能為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而化學(xué)成分不作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，那么，以降低碳當(dāng)量的措施達(dá)到高強(qiáng)度，則是最易實(shí)現(xiàn)的。長(zhǎng)期以來由于我國(guó)機(jī)床鑄件的高強(qiáng)度是在低碳長(zhǎng)期以來由于我國(guó)機(jī)床鑄件的高強(qiáng)度是在低碳當(dāng)量下取得的，它對(duì)機(jī)床性能的負(fù)面影響很大，當(dāng)量下取得的，它對(duì)機(jī)床性能的負(fù)面影響很大，低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度產(chǎn)生的問題是：收縮大，導(dǎo)致縮孔、縮松傾向增加；收縮大，導(dǎo)致縮孔、縮松傾向增加；殘余應(yīng)力大，導(dǎo)致尺寸精

4、度穩(wěn)定性差，開裂傾殘余應(yīng)力大，導(dǎo)致尺寸精度穩(wěn)定性差，開裂傾向增大；向增大；流動(dòng)性差，限制了鑄件薄壁化；流動(dòng)性差，限制了鑄件薄壁化；加工性能差，導(dǎo)致切削速度的降低與力具壽命加工性能差，導(dǎo)致切削速度的降低與力具壽命的下降；的下降；減震性差，導(dǎo)致加工精度與精度穩(wěn)定性的降低；減震性差，導(dǎo)致加工精度與精度穩(wěn)定性的降低；質(zhì)量穩(wěn)定性差，這是因?yàn)榈吞籍?dāng)量導(dǎo)致的上述質(zhì)量穩(wěn)定性差，這是因?yàn)榈吞籍?dāng)量導(dǎo)致的上述問題在生產(chǎn)中反復(fù)出現(xiàn)，此長(zhǎng)彼消，質(zhì)量難以穩(wěn)問題在生產(chǎn)中反復(fù)出現(xiàn)，此長(zhǎng)彼消，質(zhì)量難以穩(wěn)定。在定。在20142014年中對(duì)國(guó)內(nèi)具有代表性的機(jī)床生產(chǎn)年中對(duì)國(guó)內(nèi)具有代表性的機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)調(diào)查表明，用戶反饋意見中占第一位是

5、質(zhì)量企業(yè)調(diào)查表明，用戶反饋意見中占第一位是質(zhì)量不穩(wěn)定。不穩(wěn)定。百鑄網(wǎng)一、一、提高高端數(shù)控精密機(jī)床鑄件質(zhì)量的核心是高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度、高剛度與低應(yīng)力;近近5050年來，機(jī)床的精度已提高了年來，機(jī)床的精度已提高了100100倍，已進(jìn)入倍，已進(jìn)入亞微米級(jí)及納米級(jí)超精加工時(shí)代。高精度與精度亞微米級(jí)及納米級(jí)超精加工時(shí)代。高精度與精度的保持性是數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的首要指標(biāo)。的保持性是數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的首要指標(biāo)。1 1、機(jī)床精度與機(jī)床鑄件的剛性及減震性；、機(jī)床精度與機(jī)床鑄件的剛性及減震性；精度是指被加工零件能達(dá)到的加工精度。因?yàn)槟壳案邫n數(shù)控機(jī)床已進(jìn)入航空航天、兵器、核工業(yè)、電子技術(shù)、船舶等軍工領(lǐng)域。重型、超重型數(shù)控機(jī)床

6、已進(jìn)入大型電站設(shè)備、石化冶金設(shè)備、汽車制造等。這些高精度、高速切削、強(qiáng)力切削的數(shù)控機(jī)床對(duì)機(jī)床鑄件的剛度與減震性提出了更高的要求：航天航空、核工業(yè)、兵器、發(fā)電設(shè)備所需各種特殊性能的合金材料加工時(shí)又“粘”又“硬”，故要求機(jī)床與機(jī)床鑄件具有足夠的抗變形能力，即使在高速、強(qiáng)力切削下仍能保持高精度。從使用角度上看，機(jī)床鑄件的剛性比強(qiáng)度更為重要：實(shí)踐與計(jì)算表明，即使最大的切削力，機(jī)床鑄件的強(qiáng)度仍有較大的安全系數(shù)，但卻會(huì)出現(xiàn)由于剛性差、抗變形的能力及減震性差而失去加工精度。因此高端數(shù)控精密機(jī)因此高端數(shù)控精密機(jī)床在高速切削、強(qiáng)力切削下，機(jī)床鑄件必須具有較高的剛性與優(yōu)床在高速切削、強(qiáng)力切削下，機(jī)床鑄件必須具有較

7、高的剛性與優(yōu)良的減震性。良的減震性。百鑄網(wǎng)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中主要受力的機(jī)床件，往往不是按強(qiáng)度設(shè)計(jì)的，大部分是按剛性設(shè)計(jì)的。提高機(jī)床鑄件剛性的措施來自兩個(gè)方面：一個(gè)是提高鑄件的結(jié)構(gòu)剛性，這就是機(jī)床件向雙層壁、多層壁結(jié)構(gòu)發(fā)展，形成機(jī)床件薄壁化，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的重要原因。另一項(xiàng)措施是提高機(jī)床鑄件的材質(zhì)剛性，即彈性模量，而彈性模量的高低主要取決于抗拉強(qiáng)度，見表1。因此現(xiàn)代的高端數(shù)控機(jī)床鑄件皆采用了高強(qiáng)度灰鑄鐵HT300、HT350及高強(qiáng)度、高剛度球墨鑄鐵材質(zhì)。表-1 鑄鐵的強(qiáng)度與彈性模量保持加工時(shí)的高精度的另一因素是機(jī)床鑄件必須具備優(yōu)良的減震性。值得提出的是，在減震性能中，灰鑄鐵的減震性優(yōu)于球墨鑄鐵，而灰鑄

8、鐵中，碳當(dāng)量高的減震性又優(yōu)于低碳當(dāng)量者。由圖1可知，高碳當(dāng)量、低強(qiáng)度灰鑄鐵吸震率高，其次是低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度灰鑄鐵、球墨鑄鐵次于灰鑄鐵，碳鋼最低，這也是機(jī)床件大部分是灰鑄鐵的原因。長(zhǎng)期以來，機(jī)床件的高剛度、高強(qiáng)度與要求優(yōu)良的減震性的要求難以統(tǒng)一。前者要求低碳當(dāng)量，后者要求高碳當(dāng)量，因此高端精密機(jī)床的精度要求其因此高端精密機(jī)床的精度要求其機(jī)床件，既要有強(qiáng)有力的抗變形能力的材質(zhì)剛性，機(jī)床件，既要有強(qiáng)有力的抗變形能力的材質(zhì)剛性，又要有優(yōu)良的減震性，這就要求碳當(dāng)量與高強(qiáng)度、又要有優(yōu)良的減震性，這就要求碳當(dāng)量與高強(qiáng)度、高剛度在一個(gè)新的高度上達(dá)到平衡。即在高碳當(dāng)量高剛度在一個(gè)新的高度上達(dá)到平衡。即在高碳當(dāng)量

9、下達(dá)到高強(qiáng)度、高剛度。下達(dá)到高強(qiáng)度、高剛度。圖1 減震與強(qiáng)度2、 機(jī)床精度保持性與機(jī)床鑄件的殘余應(yīng)力機(jī)床精度保持性是高端數(shù)控機(jī)床的最重要的質(zhì)量指標(biāo)，目前我國(guó)與國(guó)外還有相當(dāng)大的差距。國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的精度保持性約為一年，而國(guó)外可達(dá)五年。這是精度保持性約為一年，而國(guó)外可達(dá)五年。這是我國(guó)數(shù)控機(jī)床進(jìn)口量為世界第一的原因之一。我國(guó)數(shù)控機(jī)床進(jìn)口量為世界第一的原因之一。鑄件中的殘余應(yīng)力對(duì)鑄件的尺寸精度穩(wěn)定性的影響是很大的。高精度的機(jī)床在加工中，引起塑性的，高精度的機(jī)床在加工中，引起塑性的，不可逆的變形有三個(gè)因素：工作負(fù)荷、材料剛不可逆的變形有三個(gè)因素：工作負(fù)荷、材料剛度、殘余應(yīng)力。這三者中殘余應(yīng)力

10、最為危險(xiǎn)，度、殘余應(yīng)力。這三者中殘余應(yīng)力最為危險(xiǎn)，因?yàn)槠鋺?yīng)力往往大于工作負(fù)荷，且它是持續(xù)的，因?yàn)槠鋺?yīng)力往往大于工作負(fù)荷，且它是持續(xù)的，不間斷的。不間斷的。圖2中a)為未經(jīng)熱時(shí)效的機(jī)床鑄件，殘余應(yīng)力較大，鑄件變形大。圖2中b)為經(jīng)過熱時(shí)效后的機(jī)床鑄件，殘余應(yīng)力較小，鑄件變形較小。圖-2 a)為未熱時(shí)效鑄件 b)為經(jīng)熱時(shí)效消除殘余應(yīng)力60%的鑄件圖2 鑄件是否經(jīng)熱時(shí)效與變形的關(guān)系在灰鑄件中，殘余應(yīng)力是與其強(qiáng)度及碳當(dāng)量有著密切的關(guān)系，它隨碳當(dāng)量的降低而增大，見圖-3。隨抗拉強(qiáng)度的增大而增大。見圖-4圖-3 碳當(dāng)量對(duì)鑄造應(yīng)力的影響 圖-4 抗拉強(qiáng)度對(duì)鑄造應(yīng)力的影響因此，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，我國(guó)機(jī)床件的

11、低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度所帶來較高的高殘余應(yīng)力一直未能得到很好的解決。一些國(guó)外用戶購(gòu)買我國(guó)機(jī)床鑄件后往往堆放半年或一年后再用，進(jìn)行自然時(shí)效，降低與釋放殘余應(yīng)力。因因此，既要高剛度，又要低應(yīng)力，則高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度是此，既要高剛度，又要低應(yīng)力，則高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)其最主要的途徑。實(shí)現(xiàn)其最主要的途徑。3 3、機(jī)床鑄件的高強(qiáng)度與加工性能、機(jī)床鑄件的高強(qiáng)度與加工性能高精度的機(jī)床鑄件，大部分都是用數(shù)控加工中心機(jī)床進(jìn)行加工的。目前主軸轉(zhuǎn)速?gòu)拿糠昼妿浊мD(zhuǎn)，到幾萬轉(zhuǎn)，甚至達(dá)十幾萬轉(zhuǎn)。切削速度大幅度提高，每臺(tái)數(shù)控中心皆有幾百把刀具，換刀速度從十幾秒到十秒、三秒，甚至達(dá)一秒。因此要求機(jī)床鑄件有優(yōu)良的切削性能，而現(xiàn)在的問

12、題是低碳當(dāng)量，不僅帶來了鑄鐵的高強(qiáng)度，還帶來了高硬度，見表-2。導(dǎo)致了加工性能的惡化，見表-3。表-2 灰鑄鐵的強(qiáng)度與硬度加工性能與硬度的關(guān)系，見表-3。表-3 硬度與灰鑄鐵的加工性能德國(guó)企業(yè)中，常用試棒上抗拉強(qiáng)度與硬度之比的m值來初步表征切削性能的優(yōu)劣，在同樣的強(qiáng)度下，m位越高，加工性能優(yōu)良，見表-4.表-4 灰鑄鐵切削性能的表征（m=HBWRM）(德國(guó))硬度抗拉強(qiáng)度在灰鑄鐵的冶金指標(biāo)中，硬化度(HG)就是衡量加工性能優(yōu)劣的一個(gè)指標(biāo)：正常硬度鑄態(tài)試棒硬度344Sc530HBW實(shí)測(cè) HG= = （當(dāng)HBW186時(shí)）或 =744Sc930HBW實(shí)測(cè)（當(dāng)HBW186時(shí)）由公式可知，共晶度Sc越高，

13、硬度越低，因此在保持高強(qiáng)度的同時(shí)采取措施提高碳當(dāng)量，才能降低硬度，即只有在高強(qiáng)度、即只有在高強(qiáng)度、高碳當(dāng)量下才能較好的改善加工性能。高碳當(dāng)量下才能較好的改善加工性能。4 4、機(jī)床鑄件的碳當(dāng)量與鑄件薄壁化及縮松缺陷；、機(jī)床鑄件的碳當(dāng)量與鑄件薄壁化及縮松缺陷；在達(dá)到HT300力學(xué)性能下，其所含的碳當(dāng)量不同，鑄造性能中的鐵液流動(dòng)性與鑄鐵的收縮相差甚大。表5為不同碳當(dāng)量下的鐵液流動(dòng)性；表6為不同碳當(dāng)量下的收縮性，因機(jī)床鑄件一般皆為亞共晶鑄鐵，因此碳當(dāng)量越低，流動(dòng)性越差，收縮越大。表-5 灰鑄鐵碳當(dāng)量與鐵液的流動(dòng)性 表-6 灰鑄鐵碳當(dāng)量與鑄鐵的凝固收縮及殘余應(yīng)力表-7 灰鑄鐵 碳當(dāng)量與鑄鐵的固態(tài)收縮（鑄

14、件壁厚20mm）由以上表可知，要使機(jī)床鑄件薄壁化，減少縮松、縮孔缺陷，必須在高強(qiáng)度下提高碳當(dāng)量。目前國(guó)外的機(jī)床比我國(guó)機(jī)床重量輕810%。中型機(jī)床壁厚已達(dá)1420 mm。小型機(jī)床件壁厚已達(dá)812 mm。低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度灰鑄件已是實(shí)現(xiàn)薄壁化的嚴(yán)重障礙及造成縮松的重要原因。因此綜合因素充分說明高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度、高剛度、低應(yīng)力是我國(guó)高端數(shù)控機(jī)床鑄件的發(fā)展方向。百鑄網(wǎng)二、我國(guó)機(jī)床鑄件質(zhì)量的現(xiàn)狀與發(fā)展方向；二、我國(guó)機(jī)床鑄件質(zhì)量的現(xiàn)狀與發(fā)展方向；為了研究我國(guó)機(jī)床鑄件材質(zhì)的狀況，在2012年“現(xiàn)代鑄鐵”雜志與鄭州機(jī)械研究所分別在2012年及2014年作了二次調(diào)查，其結(jié)果給了我們?cè)S多重要啟示百鑄網(wǎng)1 1、碳當(dāng)量

15、與強(qiáng)度、碳當(dāng)量與強(qiáng)度機(jī)床鑄件在相同的強(qiáng)度下，碳當(dāng)量高低是衡量材質(zhì)優(yōu)劣的重要標(biāo)志。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，我國(guó)機(jī)床鑄件尚處在中、低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度階段，僅有少數(shù)機(jī)床鑄件廠已接近高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度材質(zhì)的水平，但仍有相當(dāng)距離。表8為第一次的調(diào)查結(jié)果。由表8可知，在同樣強(qiáng)度下，國(guó)內(nèi)機(jī)床件的碳當(dāng)量遠(yuǎn)低于國(guó)外同牌號(hào)的碳當(dāng)量。2014年的全國(guó)機(jī)床件調(diào)查，著重調(diào)查了HT300材質(zhì)的機(jī)床件，調(diào)查比較嚴(yán)謹(jǐn)，要統(tǒng)計(jì)連續(xù)60爐次的數(shù)據(jù)，表9中的數(shù)據(jù)是連續(xù)60爐次的平均值，表10為兩次調(diào)查HT300材質(zhì)碳當(dāng)量的對(duì)比。表-8 2012年調(diào)查的機(jī)床鑄件碳當(dāng)量的國(guó)內(nèi)外對(duì)比表-9 2014年調(diào)查的機(jī)床鑄件碳當(dāng)量（HT300）表-10 國(guó)內(nèi)機(jī)

16、床鑄件HT300材質(zhì)的碳當(dāng)量表-9與表-10說明，在近二、三年內(nèi)，材質(zhì)的質(zhì)量有所進(jìn)步。以HT300為例，碳當(dāng)量3.60%的企業(yè)，由45.5%降至15.4%。碳當(dāng)量3.64-3.68%的企業(yè)，由36.3%升至46.2%。碳當(dāng)量為3.70-3.76%的企業(yè)，由18.2%升至38.4%。碳當(dāng)量整體平均值也由3.60%提至3.67%。但是與國(guó)際先進(jìn)國(guó)家HT300材質(zhì)碳當(dāng)量3.83%相比，還有相當(dāng)差距。因此，在2014年的機(jī)床鑄件調(diào)查中，與此有關(guān)的問題仍然很突出，表-11為就高端數(shù)控機(jī)床對(duì)機(jī)床鑄件要求中突出的問題所進(jìn)行的調(diào)查調(diào)查；表-11 高端數(shù)控機(jī)床對(duì)鑄件要求中的突出問題（2014年調(diào)查）由表11可知

17、，各企業(yè)對(duì)機(jī)床鑄件薄壁化；高各企業(yè)對(duì)機(jī)床鑄件薄壁化；高強(qiáng)度、低應(yīng)力；尺寸穩(wěn)定性；切削性能等問題強(qiáng)度、低應(yīng)力；尺寸穩(wěn)定性；切削性能等問題在高端機(jī)床鑄件要求中占前四位。而這四個(gè)問在高端機(jī)床鑄件要求中占前四位。而這四個(gè)問題皆與碳當(dāng)量有關(guān)，說明碳當(dāng)量越低，這四類題皆與碳當(dāng)量有關(guān)，說明碳當(dāng)量越低，這四類問題越嚴(yán)重。問題越嚴(yán)重。在生產(chǎn)精密機(jī)床鑄件中，對(duì)那一項(xiàng)難度最大的調(diào)查中，選擇結(jié)構(gòu)復(fù)雜的企業(yè)占71%，位居第一。說明數(shù)控機(jī)床的剛性要求提高，不僅要高的材質(zhì)剛性，還要對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)行雙層壁、多層壁，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，這給企業(yè)的機(jī)床鑄造帶來了困難(見表12)。表-1 2 在生產(chǎn)高端數(shù)控機(jī)床鑄件中難度

18、最大的問題調(diào)查由表12可知，在調(diào)查的企業(yè)中，力學(xué)性能不合格僅占極少數(shù)，而由于在高強(qiáng)度下的低碳當(dāng)量造成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的充型困難；殘余應(yīng)力增大而造成的變形；收縮大造成的縮松；等問題仍占前三位。調(diào)查表明：對(duì)13家機(jī)床鑄件生產(chǎn)企業(yè)連續(xù)60爐次的統(tǒng)計(jì)表明，沒有一家企業(yè)的力學(xué)性能是不合格的，差距是達(dá)到大于300MPa強(qiáng)度下的低碳當(dāng)量 (見表13)。表-13 13家企業(yè)機(jī)床鑄件的強(qiáng)度與碳當(dāng)量（60爐次平均值）2 2、碳當(dāng)量與殘余應(yīng)力；、碳當(dāng)量與殘余應(yīng)力；鄭州機(jī)械研究所實(shí)驗(yàn)表明：無論是灰鑄鐵還是球墨鑄鐵無論是灰鑄鐵還是球墨鑄鐵，低碳當(dāng)量是產(chǎn)生高殘余應(yīng)力的主要原因，提高碳當(dāng)量則，低碳當(dāng)量是產(chǎn)生高殘余應(yīng)力的主要原因

19、，提高碳當(dāng)量則可有效地降低殘余應(yīng)力，可有效地降低殘余應(yīng)力，見表-14。表-14 灰鑄鐵與球墨鑄鐵碳當(dāng)量對(duì)殘余應(yīng)力的影響由表14可知：提高強(qiáng)度，可有效地提高彈性模數(shù)，但其殘余應(yīng)力有所上升但在滿足強(qiáng)度要求下，提高碳當(dāng)量則可有效地降低殘余應(yīng)力，減小變形，提高尺寸穩(wěn)定性；球墨鑄鐵的殘余應(yīng)力雖高，但彈性模數(shù)高，抗變形能力增大，有利于減小變形；表14中2號(hào)灰鑄鐵的強(qiáng)度低于1號(hào)灰鑄鐵，而彈性模數(shù)卻高于1號(hào)灰鑄鐵，其原因是在灰鑄鐵中彈性模量不僅與抗拉強(qiáng)度有關(guān)，還與成分中的含金化有關(guān)，2號(hào)灰鑄鐵高時(shí)由于加料合金的原因，表15.為1、2號(hào)灰鑄鐵的化學(xué)成分。表-15 灰鑄鐵的合金化高碳當(dāng)量下課保持高強(qiáng)度彈性模數(shù)表1

20、4、表15表明，只要采取有力措施，對(duì)HT300灰鑄鐵時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較高碳當(dāng)量（3.72%）、高強(qiáng)度（Rm=322MPa）、高剛性（E=129GPa），低應(yīng)力（殘余應(yīng)力34.3MPa）的。這組試驗(yàn)也與日本機(jī)床鑄件廠HT300的碳當(dāng)量相符，見表16。表-16 日本FC30的化學(xué)成分上世紀(jì)80年代，我國(guó)機(jī)床鑄件的殘余應(yīng)力約為30MPa100MPa。目前鄭州機(jī)械研究所對(duì)全國(guó)一些具有代表性機(jī)床鑄件廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，機(jī)床鑄件的殘余應(yīng)力約為70MPa150MPa，其主要原因是其材質(zhì)由HT200、HT250已升至HT300、HT350。另一原因就是HT300、HT350是在較低碳當(dāng)量下獲得的。試驗(yàn)證明，要達(dá)到高剛度

21、、低應(yīng)力，采用高碳當(dāng)量，高強(qiáng)度是合理的途徑。3 3、碳當(dāng)量與彈性模數(shù)；、碳當(dāng)量與彈性模數(shù)；眾所周知，彈性模數(shù)隨碳當(dāng)量CE或石墨的增加而降低，見圖5。最近國(guó)內(nèi)共享集團(tuán)的試驗(yàn)也有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表17）。圖-5 石墨量對(duì)彈性模量的影響表-17 碳當(dāng)量對(duì)彈性模數(shù)的影響在相同碳當(dāng)量下如何提高彈性模數(shù)，共享集團(tuán)做了有益的搜索，即采用合成鑄鐵，提高Si/C，比合金化皆有利于彈性模數(shù)的提高，見表18。表-18 提高灰鑄鐵彈性模數(shù)的若干措施上述試驗(yàn)證明，采用提高Si/C比，采用合成鑄鐵，微量合金化是可提高彈性模量的，但仍有兩點(diǎn)尚可改進(jìn)：一是未測(cè)殘余應(yīng)力，二是在較底碳當(dāng)量3.65%下獲得。如果在高碳當(dāng)量下獲得

22、高彈性模量及低的殘余應(yīng)力，效果則更好。4 4、碳當(dāng)量與強(qiáng)度及硬度；、碳當(dāng)量與強(qiáng)度及硬度；低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度帶來的后果之一就是硬度高，切削性能下降，2014年的機(jī)床鑄件調(diào)查表明，在15家企業(yè)中4個(gè)企業(yè)為例，碳當(dāng)量對(duì)硬度有著重要影響，見表-19。表-19 碳當(dāng)量對(duì)強(qiáng)度、硬度、加工性能的影響（4個(gè)企業(yè)60爐次的平均值）由表可知，4#與10#企業(yè)的低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度灰鑄鐵加劇了硬度的提高。達(dá)到244264HBW，導(dǎo)致加工性能指數(shù)m的降低，惡化了加工性能。而8#、9#企業(yè)具有較高碳當(dāng)量，硬度僅為192 HBW、196 HBW，m值為1.581.70，遠(yuǎn)高于4#、10#企業(yè)的1.301.38。對(duì)9#企業(yè)調(diào)查表

23、明，其國(guó)外用戶反映，該企業(yè)的機(jī)床鑄件加工性能良好，且在較高CE下，也很少發(fā)生縮裂。因此，調(diào)查表明在高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度下獲得較低的硬度與良好的加工性能是十分有效的。5 5、機(jī)床鑄件材質(zhì)與冶金質(zhì)量；、機(jī)床鑄件材質(zhì)與冶金質(zhì)量；（1）要求成熟度RG1RG1，表明在同樣強(qiáng)度下，碳當(dāng)量（或共晶度）高。導(dǎo)致鑄鐵收縮小、流動(dòng)性好、殘余應(yīng)力低（2）要求硬化度HG1 ( HG= ) HG1，表明在同樣強(qiáng)度下，碳當(dāng)量（或共晶度）高、硬度低，加工性能優(yōu)良。表20為2014年機(jī)床鑄件中材質(zhì)冶金質(zhì)量的調(diào)查。ScHBW344530）硬度（表-20 HT300機(jī)床鑄件材質(zhì)的冶金質(zhì)量（60爐次的平均值）由表可知，低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度

24、、高硬度的4#、5#企業(yè)的冶金質(zhì)量基本上不合格。4#的成熟度雖為1.04，但是它是在高硬度下得到，其硬化度不合格，為1.05。所以它的品質(zhì)系數(shù)未能達(dá)到合格。說明它抗拉強(qiáng)度有富余，完全可以適當(dāng)提高CE，適當(dāng)降低強(qiáng)度與硬度，提高冶金質(zhì)量。而10#企業(yè)基本上屬于低碳當(dāng)量、高強(qiáng)度、冶金質(zhì)量較差。8#、9#企業(yè)，冶金質(zhì)量?jī)?yōu)良，品質(zhì)系數(shù)達(dá)到1.181.27，尤其是9#企業(yè)，國(guó)外用戶反映良好，抗拉強(qiáng)度高，平均328Mpa，硬度低，平均190HBW，加工性能，鑄造性能好，很少發(fā)生縮孔、縮裂。在2014年調(diào)查中，殘余應(yīng)力也是最低的，這與9#企業(yè)鑄鐵高CE，優(yōu)良的冶金質(zhì)量是分不開的。6 6、鐵液溫度的調(diào)查；、鐵液

25、溫度的調(diào)查；2014年機(jī)床鑄件生產(chǎn)的鐵液溫度與2012年相比有了明顯的提高，見表21.表-21 機(jī)床鑄件廠鐵液溫度的調(diào)查高溫低氧化的優(yōu)質(zhì)鐵液是保證高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度灰鑄鐵冶金質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。7、廢鋼配比的調(diào)查；廢鋼配比是保證高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度灰鑄鐵的重要措施之一。表-22為二次調(diào)查的結(jié)果。表-22 HT300材質(zhì)機(jī)床鑄件的廢鋼配比調(diào)查2014年在12家機(jī)床件生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)查中，HT300材質(zhì)的廢鋼配比為50%以上的企業(yè)占83%，與2014年的僅有50%的企業(yè)相比，有相當(dāng)?shù)奶岣?。百鑄網(wǎng)三、提高高端數(shù)控機(jī)床鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)；三、提高高端數(shù)控機(jī)床鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)；1 1、推薦的化學(xué)成分，見表、推薦的化

26、學(xué)成分，見表-23.-23.表-23 高端數(shù)控機(jī)床鑄件的化學(xué)成分生產(chǎn)控制時(shí)，重要的是成分的波動(dòng)值要小，C要達(dá)到士0.05%，Si、Mn要達(dá)到士0.10%。合金要在目標(biāo)值內(nèi)。百鑄網(wǎng)2 2、推薦的配料比例，見表、推薦的配料比例，見表-24.-24.表-24 高端數(shù)控機(jī)床鑄件的配料控制的關(guān)鍵是把高廢鋼比、高滲碳、高鐵液過熱溫度進(jìn)行統(tǒng)一控制，缺一不可。3 3、過熱溫度與靜置，見表、過熱溫度與靜置，見表-25-25.表-25 鑄鐵的過熱溫度（）4 4、推薦的、推薦的Si/CSi/C比；比；HT250、HT300、HT350材質(zhì)可將Si/C控制在0.58-0.63的范圍內(nèi)。5 5、孕育劑與孕育工藝；、孕育

27、劑與孕育工藝；孕育劑：可采用75Si Fe或Si Ba Ca孕育劑，保存時(shí)要注意封閉保存，防止吸潮氧化。使用前進(jìn)行250300的預(yù)熱處理。孕育方式：可采用出鐵槽孕育+隨流孕育，或倒包孕育+隨流孕育，防止孕育衰退。6 6、澆注溫度；、澆注溫度；適當(dāng)提高澆注溫度是必要的，雖然澆注溫度提高后液態(tài)收縮加大，需要加強(qiáng)補(bǔ)澆補(bǔ)縮，但有利消除夾渣與氣孔。表-26為日本企業(yè)的澆注溫度。表-26 日本鑄造企業(yè)的鐵液溫度7 7、爐前控制；、爐前控制；（1）要有孕育前后的三角白口深度控制，雖很傳統(tǒng)，但實(shí)用、方便，對(duì)爐前的操作技術(shù)人員與工人的快速判斷十分有利。如果將三角白口大小與孕育效果，全相組織，熱分析曲線及力學(xué)性能

28、等相聯(lián)系則有利于鑄鐵質(zhì)量的在線控制。（2）熱分析曲線分析，用孕育前后的過冷度比控制孕育效果，該方法已在德國(guó)應(yīng)用，并與冶金質(zhì)量指標(biāo)、共晶團(tuán)數(shù)、彈性模數(shù)建立關(guān)系。目前機(jī)床鑄件的熱分析工作，合肥工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)都作了大量工作，希望能盡快在工廠中應(yīng)用。8 8、彈性模量與殘余應(yīng)力的測(cè)試工作；、彈性模量與殘余應(yīng)力的測(cè)試工作；表-27為推薦的機(jī)床鑄件材質(zhì)的彈性模數(shù)與殘余應(yīng)力表-27 高端數(shù)控機(jī)床鑄件灰鑄鐵材質(zhì)的彈性模量與殘余應(yīng)力彈性模數(shù)與殘余應(yīng)力是高端數(shù)控機(jī)床鑄件材質(zhì)的重要彈性模數(shù)與殘余應(yīng)力是高端數(shù)控機(jī)床鑄件材質(zhì)的重要指標(biāo)，而高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)高剛度、低應(yīng)力的途指標(biāo)，而高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)高剛度、低

29、應(yīng)力的途徑。碳當(dāng)量、抗拉強(qiáng)度、彈性模數(shù)、殘余應(yīng)力這四個(gè)數(shù)徑。碳當(dāng)量、抗拉強(qiáng)度、彈性模數(shù)、殘余應(yīng)力這四個(gè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)及數(shù)值高低，代表著高端數(shù)控機(jī)床鑄件的質(zhì)量據(jù)的監(jiān)測(cè)及數(shù)值高低，代表著高端數(shù)控機(jī)床鑄件的質(zhì)量與水平。與水平。9 9、打箱溫度與殘余應(yīng)力；、打箱溫度與殘余應(yīng)力；檢測(cè)表明，打箱溫度與殘余應(yīng)力有著重要影響，見表-28。表-28 打箱溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響注：殘余應(yīng)力系指式樣中最大的殘余應(yīng)力。1010、熱時(shí)效與殘余應(yīng)力、熱時(shí)效與殘余應(yīng)力為了最大限度的檢測(cè)熱時(shí)效的效果，對(duì)應(yīng)力框試樣采用了下列工藝，見表-29.表-29 熱時(shí)效工藝熱時(shí)效結(jié)果見表-30表-30 熱時(shí)效對(duì)消除殘余應(yīng)力的影響目前不少企業(yè)20

30、t140t以上的大型機(jī)床件往往實(shí)行地坑保溫工藝，則保溫時(shí)間應(yīng)以鑄件的出坑溫度為準(zhǔn)，以280為宜。在2014年的調(diào)查只中，一些企業(yè)的熱時(shí)效流于形式，效果甚微。為了提高熱時(shí)效降低殘余應(yīng)力的效果，應(yīng)注意熱時(shí)效表-31中的事項(xiàng)。表-31 機(jī)床鑄件熱時(shí)效操作重點(diǎn)關(guān)于自然時(shí)效要注意的兩個(gè)問題是：一是自然時(shí)效的時(shí)間一定要在6個(gè)月以上。研究表明，達(dá)到6個(gè)月才能使殘余應(yīng)力松弛，總量達(dá)到90%。9個(gè)月后可達(dá)到95%。二是自然時(shí)效的鑄件必須置于室外，只有在晝夜溫度交替下才能達(dá)到時(shí)效目的。在2014年5月的北京國(guó)際鑄件展會(huì)上，江蘇某機(jī)床鑄件生產(chǎn)企業(yè)的機(jī)床件引起鑄造工作者的關(guān)注。該企業(yè)較全面地貫徹了高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度的理念。在數(shù)控機(jī)床鑄件對(duì)質(zhì)