數(shù)控加工技術(shù)在鑄鋼件生產(chǎn)的應(yīng)用

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摘要：小批件或單件大型鑄鋼件大多采用開模-造型芯-鑄造流程，但鑄模用時(shí)較長(zhǎng)、制作成本較高，使得這一流程在生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本上存在局限性。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，無(wú)模化鑄造加工技術(shù)在生產(chǎn)加工領(lǐng)域逐漸應(yīng)用和推廣，簡(jiǎn)化了鑄鋼件生產(chǎn)加工工藝，有效提高了鑄鋼件生產(chǎn)加工效率、大大提高了鑄鋼件生產(chǎn)加工效率，極大地促進(jìn)了我國(guó)裝備材料加工制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能的提高和產(chǎn)業(yè)內(nèi)資源的合理分配。

關(guān)鍵詞：無(wú)模化數(shù)控加工技術(shù)；大型鑄鋼件；生產(chǎn)；應(yīng)用

在工業(yè)發(fā)展中，冶金相關(guān)裝備材料制造是工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，大型鑄鋼件則是裝備材料制造的重中之重，這也是世界上所有工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均重視和發(fā)展大型鑄鋼件能力和技術(shù)的主要原因。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)已與繼電器、計(jì)算機(jī)等機(jī)電設(shè)備相結(jié)合，大型鑄鋼件的生產(chǎn)也建立起了基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的工藝流程，普遍采用計(jì)算機(jī)模擬+輔助生產(chǎn)+過(guò)程控制生產(chǎn)加工程序。隨著發(fā)展理念的轉(zhuǎn)變和生產(chǎn)資源的枯竭，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)必須要從資源集中型的粗獷生產(chǎn)模式向技術(shù)集中型的集約化生產(chǎn)模式，以實(shí)現(xiàn)資源的合理利用。大型鑄件是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要部件，尤其是在核電、軍工領(lǐng)域，大型鑄件的生產(chǎn)加工效率和質(zhì)量直接構(gòu)成了該產(chǎn)業(yè)技術(shù)突破、產(chǎn)能提高的瓶頸。隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)控等先進(jìn)制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破，大型鑄件的生產(chǎn)制造工業(yè)也有了新的發(fā)展，這為我國(guó)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新的可能。

1數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，數(shù)控技術(shù)發(fā)展迅猛，發(fā)達(dá)國(guó)家已在工業(yè)生產(chǎn)中全面普及了數(shù)控加工制造技術(shù)，一般為CAD模型驅(qū)動(dòng)下的精確制造模式，通過(guò)數(shù)控機(jī)床直接完成鑄件的砂型與鑄型，簡(jiǎn)化了鑄模緩解，大大提高了鑄件制造效率。同時(shí)計(jì)算機(jī)控制下的鑄造精度極高，可避免絕大多數(shù)情況下人工操作造成的誤差，推動(dòng)裝備材料制造進(jìn)入精確化、精準(zhǔn)化領(lǐng)域。此外，數(shù)控車床可結(jié)合其他生產(chǎn)設(shè)備，建立起半封閉的生產(chǎn)空間，再結(jié)合粉塵、廢渣回收系統(tǒng)，可有效減少生產(chǎn)過(guò)程中的粉塵、廢渣、非氣排放，提高生產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境效益，進(jìn)而落實(shí)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)發(fā)展目標(biāo)。國(guó)外數(shù)控車床發(fā)展起步較早，以歐洲為例，早在上世紀(jì)80年代歐洲大部分工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已開始進(jìn)行數(shù)控車床生產(chǎn)技術(shù)的探索與嘗試，2010歐洲至少有14個(gè)國(guó)家加入了英國(guó)謝菲爾德鑄造開發(fā)中心參與大型鑄件車床生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)改良醒目。直至今日英法德等歐洲具有代表性的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)已全面普及數(shù)控車床加工技術(shù)，甚至德國(guó)在生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)大鑄件的五面同步加工，極大的提高了工業(yè)生產(chǎn)效率。國(guó)內(nèi)鑄型數(shù)控加工制造技術(shù)研究起步較晚，2006年左右我國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心正式提出了鑄型數(shù)字化加工技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，并于未來(lái)的三年內(nèi)獨(dú)立開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)鑄型數(shù)字化加工，其中一項(xiàng)專利已獲得國(guó)際專利。近年來(lái)通過(guò)不斷優(yōu)化刀具材料、提高砂型加工性能、改善車床生產(chǎn)工藝、改進(jìn)車床系統(tǒng)軟件及相關(guān)設(shè)備開發(fā)等，我國(guó)已獨(dú)立研發(fā)多種數(shù)控加工車床，在我國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)中試產(chǎn)并取得成功。經(jīng)過(guò)十?dāng)?shù)年的研究，我國(guó)車床鑄件加工技術(shù)也取得了長(zhǎng)足發(fā)展，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)、數(shù)控技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)鑄件加工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，探索并創(chuàng)造了許多全新的數(shù)控加工制造新工藝、新方法，對(duì)傳統(tǒng)的CAD驅(qū)動(dòng)下的數(shù)控裝置進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，使大型鋼鑄件生產(chǎn)工序更加合理化、科學(xué)化、集約化，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程、提高了生產(chǎn)效率。以數(shù)控車床為基礎(chǔ)的鑄件制造與加工可以擺脫傳統(tǒng)鑄型生產(chǎn)的局限，打破模具使用的限制，實(shí)現(xiàn)無(wú)模化的、可重復(fù)性的、高效率的鋼鑄件生產(chǎn)和加工。

2無(wú)模化鑄型數(shù)控加工的原理和特點(diǎn)

數(shù)字化驅(qū)動(dòng)下的快速無(wú)模化鑄型加工和生產(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常用技術(shù)，也是大型鋼鑄件裝備材料制作與加工的常用工藝。其工作原理如下：通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得鑄型的具體參數(shù)，如長(zhǎng)寬高、內(nèi)外徑等，然后利用計(jì)算機(jī)設(shè)備將具體參數(shù)轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)———通過(guò)電子計(jì)算機(jī)設(shè)備及特定的鑄型軟件于計(jì)算機(jī)設(shè)備中構(gòu)建鑄型的虛擬模型，然后轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)并輸出三維CAD模型———將CAD模型數(shù)據(jù)上傳至生產(chǎn)加工車床上，由計(jì)算機(jī)根據(jù)模型參數(shù)和車床具體工作參數(shù)，作出最優(yōu)的澆注路徑規(guī)劃———通過(guò)特定軟件對(duì)前一環(huán)節(jié)得到的最優(yōu)澆注路徑規(guī)劃的合理性、科學(xué)性進(jìn)行操作模擬，獲取鑄型制造仿真模型（數(shù)據(jù)），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是計(jì)算機(jī)軟件后臺(tái)模擬澆注真實(shí)環(huán)境，評(píng)估設(shè)計(jì)、規(guī)劃及鑄型本身的合理與否，確認(rèn)能否投入車床進(jìn)行加工———若通過(guò)上一環(huán)節(jié)的模擬并輸出仿真模型，則根據(jù)仿真模擬結(jié)果將數(shù)據(jù)傳輸給車床控制設(shè)備，正式進(jìn)入鑄型制造與加工環(huán)節(jié)———數(shù)控車床在計(jì)算機(jī)的控制下完成鑄型制造與加工并得到最終的鑄型。無(wú)模化鑄型數(shù)控加工是在鑄型三維CAD的驅(qū)動(dòng)下直接對(duì)砂型進(jìn)行加工獲取鑄型，然后再進(jìn)行澆注則可得到成品的鑄件。因此無(wú)模化鑄型數(shù)控加工技術(shù)對(duì)刀具設(shè)備可靠性、測(cè)算數(shù)值精準(zhǔn)性、機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定性依賴程度較高，輕微的偏差均可導(dǎo)致最終成品的瑕疵。該設(shè)備是集合了CAD技術(shù)、鑄造技術(shù)、數(shù)控車床加工技術(shù)等為一體的鑄件制造與加工技術(shù)，不需要造型用模樣，而是使用數(shù)控技術(shù)替代傳統(tǒng)模具、模樣使用，使用數(shù)控技術(shù)的數(shù)字化、精密化、柔性化、綠色化的優(yōu)勢(shì)替代傳統(tǒng)鑄件制造。目前國(guó)內(nèi)鋼鐵裝備材料制造領(lǐng)域研究中已證實(shí)了該技術(shù)的可靠性和安全性，是現(xiàn)階段較為理想的鑄件生產(chǎn)制造工藝。該技術(shù)主要有以下幾方面特點(diǎn)：①生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)化，省略了傳統(tǒng)金屬鑄件制造過(guò)程中需要制造模的環(huán)節(jié)，大大縮短了加工制作周期，因此從設(shè)計(jì)到獲取成品的整體周期較短，生產(chǎn)效率更高。②與計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)結(jié)合后，金屬鑄件的制造加工精度大大提高，且在生產(chǎn)制造的過(guò)程中無(wú)需預(yù)留拔模斜度，生產(chǎn)過(guò)程中人工干預(yù)更少。可有效避免人為因素造成的鑄件生產(chǎn)制造誤差。③數(shù)控技術(shù)下鑄模制造不需要制作實(shí)物，可通過(guò)計(jì)算模擬鑄型和鑄件澆注，而這一過(guò)程可在計(jì)算機(jī)中反復(fù)實(shí)現(xiàn)，可將其用于金屬鑄件的設(shè)計(jì)、開發(fā)與加工，能夠有效縮短金屬鑄件產(chǎn)品開發(fā)周期，為我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品升級(jí)提供新的技術(shù)支撐。

3無(wú)模化數(shù)控加工技術(shù)在大型鑄鋼件生產(chǎn)中的應(yīng)用

本章結(jié)合具體大型鋼鑄件加工制造案例對(duì)無(wú)模化數(shù)控加工技術(shù)在金屬鑄件制造中的應(yīng)用進(jìn)行探討，所選案例為典型大型鋼鑄，為核電站主回路中主要水泵，部件名稱為反應(yīng)堆冷卻劑泵（PCR）。該鑄件是核電站主回路中最重要的部件之一，也是核電生產(chǎn)過(guò)程中壓水反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿卧柙诟咻椛洹⒏邷亍⒏邏旱墓ぷ鳝h(huán)境下轉(zhuǎn)動(dòng)泵內(nèi)葉輪完成回路內(nèi)循環(huán)，從而將堆芯人能傳輸給蒸汽發(fā)生器。本次研究所選冷卻機(jī)泵型號(hào)為國(guó)內(nèi)核電站通用型號(hào)，最大長(zhǎng)度3460mm，最大寬度3100mm，最大高度2360mm，最大厚度430mm，毛坯重40t，材質(zhì)為Z3CN20-09M不銹鋼。本設(shè)備為RCCM核一級(jí)部件，對(duì)其性能、材料綜合力學(xué)特征均有著較高要求，在傳統(tǒng)的鑄件工藝下，制造前必須要確定至少?gòu)?fù)數(shù)個(gè)生產(chǎn)加工方案，然后不斷進(jìn)行制造、澆注和調(diào)試，才能找到最佳的參數(shù)，若使用開模工藝，則生產(chǎn)周期和模具制造費(fèi)用將不可控，制造成本可能大大超過(guò)預(yù)期，同時(shí)還需要承擔(dān)著工藝不合格帶來(lái)的模具報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)，因此無(wú)論是出于成本控制考慮還是制造安全考慮，數(shù)字無(wú)模化制造加工均是更加合理的制造加工工藝。

3.1澆注工藝選擇

根據(jù)部件結(jié)構(gòu)、功能特征，在進(jìn)行鑄件澆注前確定了兩種可行的澆注方案，分別為主法蘭端向上澆注和主法蘭端向下澆注。主法蘭端向下澆注工藝的砂芯穩(wěn)定性較強(qiáng)且合箱操作難度較低，有利于調(diào)整和控制鑄件的尺寸和精度，但由上至下澆筑時(shí)，下方補(bǔ)縮冒煙口的裝設(shè)難度較高且容易在上表面留下氣孔缺陷；主法蘭端向上澆注工藝的砂芯穩(wěn)定性較差，很難實(shí)現(xiàn)操作規(guī)定，且澆注過(guò)程中不利于尺寸和精度觀察，因此由下至上澆注在精度控制上存在偏差，但其有利于實(shí)現(xiàn)順序凝固且可在直視下配置冒煙口，是一種與向下澆注優(yōu)劣勢(shì)翻轉(zhuǎn)的澆注工藝。在實(shí)際的澆注過(guò)程中難免遇到各種各樣的問(wèn)題，不存在完美的澆注方案，只能夠通過(guò)調(diào)整和控制盡可能地避免澆注時(shí)的劣勢(shì)，降低瑕疵風(fēng)險(xiǎn)。在本項(xiàng)目中，最終選擇了主法蘭向下澆注這一澆注方案，相較于表面瑕疵和冒煙口裝配，確保砂芯穩(wěn)定是保證部件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鑄造成功的必要條件，因此最終選擇主法蘭端向下澆筑這一方案。

3.2砂芯方案

在大型鋼鑄件加工制造中，一般情況下在進(jìn)行澆筑前砂芯制作已完成，以保證澆注時(shí)有對(duì)應(yīng)砂芯使用，避免延誤工期的情況發(fā)生。本案例中，考慮到兩種澆注方案的特性和鑄件的結(jié)構(gòu)特征，無(wú)論是主法蘭向上澆筑或主法蘭向下澆注所使用的砂芯型號(hào)基本相同，對(duì)于差異之處可使用活塊替代，這樣無(wú)論選擇哪種澆筑方案砂芯均可適用，從而避免材料的浪費(fèi)。使用鑄型數(shù)控成形加工機(jī)進(jìn)行鑄型，選用澆注的原砂粒度越細(xì)加工出澆注的鑄型表面的光潔度就會(huì)越高，考慮到單獨(dú)準(zhǔn)備型砂會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)較多的困難，而且選用較細(xì)的原砂后鑄型的透氣性會(huì)受到影響，因此型砂直接選用當(dāng)前造型用澆注的樹脂砂，原砂粒度澆注40~70目澆注，加工出的鑄型表面與用模型造出的鑄型表面相比需要增加涂料層數(shù)來(lái)滿足鑄型表面的質(zhì)量要求。

3.3合箱和開箱方案

砂型加工完成后，根據(jù)制定的鑄造工藝要求進(jìn)行冒口安放、涂刷涂料、合箱、熔煉和澆注。鑄件開箱后經(jīng)清砂、熱處理、切割、打磨后進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)性能檢驗(yàn)、尺寸檢驗(yàn)、目視檢驗(yàn)、100%射線探傷檢驗(yàn)、100%液態(tài)滲透檢驗(yàn)等多項(xiàng)檢驗(yàn)。從檢驗(yàn)結(jié)果看，鑄件表面與模具造型澆注的鑄件表面質(zhì)量相當(dāng)，鑄件尺寸精度高于模具造型得到鑄件尺寸精度。另外，在鑄件的上表面出現(xiàn)了較多的夾渣缺陷，會(huì)給后續(xù)打磨增加一定的工作量，這與預(yù)期是一致的。由于主法蘭部位冒口較大且布置在芯內(nèi)切割冒口時(shí)發(fā)現(xiàn)切割難度大大增加。

3.4整體工藝總結(jié)

從整體上來(lái)看，該大型鋼鑄件無(wú)模化數(shù)控制造加工共三個(gè)環(huán)節(jié)：①將實(shí)際數(shù)值輸入電子計(jì)算機(jī)獲取工藝三維圖和三維模型；②分步進(jìn)行砂型制作、澆筑、合箱模擬，確定相應(yīng)參數(shù)，并將收集到的數(shù)據(jù)輸入到加工編程軟件確定生產(chǎn)制造工序；③按照既定方案進(jìn)行制造與加工，最終開箱檢測(cè)、調(diào)試。

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作者：張向鵬 單位：安徽合肥技師學(xué)院