導(dǎo)語：數(shù)控加工技術(shù)在鑄鋼件生產(chǎn)的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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，但鑄模用時較長、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?；瘮?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、計算機等機電設(shè)備相結(jié)合，大型鑄鋼件的生產(chǎn)也建立起了基于計算機技術(shù)的工藝流程，普遍采用計算機模擬+輔助生產(chǎn)+過程控制生產(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。隨著計算機、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，數(shù)控技術(shù)發(fā)展迅猛，發(fā)達(dá)國家已在工業(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)動下的精確制造模式，通過數(shù)控機床直接完成鑄件的砂型與鑄型，簡化了鑄模緩解，大大提高了鑄件制造效率。同時計算機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)而落實可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)發(fā)展目標(biāo)。國外數(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個國家加入了英國謝菲爾德鑄造開發(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)國已全面普及數(shù)控車床加工技術(shù)，甚至德國在生產(chǎn)已實現(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年左右我國機械科學(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)項目，并于未來的三年內(nèi)獨立開發(fā)了國內(nèi)首臺鑄型數(shù)字化加工，其中一項專利已獲得國際專利。近年來通過不斷優(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，我國已獨立研發(fā)多種數(shù)控加工車床，在我國內(nèi)工業(yè)企業(yè)中試產(chǎn)并取得成功。經(jīng)過十?dāng)?shù)年的研究，我國車床鑄件加工技術(shù)也取得了長足發(fā)展，通過數(shù)字化技術(shù)、數(shù)控技術(shù)對傳統(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，對傳統(tǒng)的CAD驅(qū)動下的數(shù)控裝置進(jìn)行優(yōu)化和升級，使大型鋼鑄件生產(chǎn)工序更加合理化、科學(xué)化、集約化，簡化了生產(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，實現(xiàn)無?；?、可重復(fù)性的、高效率的鋼鑄件生產(chǎn)和加工。

2無模化鑄型數(shù)控加工的原理和特點

數(shù)字化驅(qū)動下的快速無?；T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：通過實際測量獲得鑄型的具體參數(shù)，如長寬高、內(nèi)外徑等，然后利用計算機設(shè)備將具體參數(shù)轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)———通過電子計算機設(shè)備及特定的鑄型軟件于計算機設(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，由計算機根據(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———通過特定軟件對前一環(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)），簡單來說就是計算機軟件后臺模擬澆注真實環(huán)境，評估設(shè)計、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)控車床在計算機的控制下完成鑄型制造與加工并得到最終的鑄型。無?；T型數(shù)控加工是在鑄型三維CAD的驅(qū)動下直接對砂型進(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?；T型數(shù)控加工技術(shù)對刀具設(shè)備可靠性、測算數(shù)值精準(zhǔn)性、機電設(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)勢替代傳統(tǒng)鑄件制造。目前國內(nèi)鋼鐵裝備材料制造領(lǐng)域研究中已證實了該技術(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：①生產(chǎn)工藝相對簡化，省略了傳統(tǒng)金屬鑄件制造過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)計到獲取成品的整體周期較短，生產(chǎn)效率更高。②與計算機技術(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)制造的過程中無需預(yù)留拔模斜度，生產(chǎn)過程中人工干預(yù)更少?？捎行П苊馊藶橐蛩卦斐傻蔫T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物，可通過計算模擬鑄型和鑄件澆注，而這一過程可在計算機中反復(fù)實現(xiàn)，可將其用于金屬鑄件的設(shè)計、開發(fā)與加工，能夠有效縮短金屬鑄件產(chǎn)品開發(fā)周期，為我國工業(yè)產(chǎn)品升級提供新的技術(shù)支撐。

3無?；瘮?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無?；瘮?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)過程中壓水反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主要動力單元，需在高輻射、高溫、高壓的工作環(huán)境下轉(zhuǎn)動泵內(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泵型號為國內(nèi)核電站通用型號，最大長度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核一級部件，對其性能、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復(fù)數(shù)個生產(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)周期和模具制造費用將不可控，制造成本可能大大超過預(yù)期，同時還需要承擔(dān)著工藝不合格帶來的模具報廢風(fēng)險，因此無論是出于成本控制考慮還是制造安全考慮，數(shù)字無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，下方補縮冒煙口的裝設(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，很難實現(xiàn)操作規(guī)定，且澆注過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)劣勢翻轉(zhuǎn)的澆注工藝。在實際的澆注過程中難免遇到各種各樣的問題，不存在完美的澆注方案，只能夠通過調(diào)整和控制盡可能地避免澆注時的劣勢，降低瑕疵風(fēng)險。在本項目中，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，以保證澆注時有對應(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基本相同，對于差異之處可使用活塊替代，這樣無論選擇哪種澆筑方案砂芯均可適用，從而避免材料的浪費。使用鑄型數(shù)控成形加工機進(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越高，考慮到單獨準(zhǔn)備型砂會給生產(chǎn)帶來較多的困難，而且選用較細(xì)的原砂后鑄型的透氣性會受到影響，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、尺寸檢驗、目視檢驗、100%射線探傷檢驗、100%液態(tài)滲透檢驗等多項檢驗。從檢驗結(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)

從整體上來看，該大型鋼鑄件無模化數(shù)控制造加工共三個環(huán)節(jié)：①將實際數(shù)值輸入電子計算機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、調(diào)試。

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作者：張向鵬 單位：安徽合肥技師學(xué)院