數控加工技術在鑄鋼件生產的應用

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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，但鑄模用時較長、制作成本較高，使得這一流程在生產周期和生產成本上存在局限性。隨著數控技術的發展，無模化鑄造加工技術在生產加工領域逐漸應用和推廣，簡化了鑄鋼件生產加工工藝，有效提高了鑄鋼件生產加工效率、大大提高了鑄鋼件生產加工效率，極大地促進了我國裝備材料加工制造產業產能的提高和產業內資源的合理分配。

關鍵詞：無模化數控加工技術；大型鑄鋼件；生產；應用

在工業發展中，冶金相關裝備材料制造是工業發展基礎環節，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發達國家均重視和發展大型鑄鋼件能力和技術的主要原因。現代工業生產已與繼電器、計算機等機電設備相結合，大型鑄鋼件的生產也建立起了基于計算機技術的工藝流程，普遍采用計算機模擬+輔助生產+過程控制生產加工程序。隨著發展理念的轉變和生產資源的枯竭，現代工業生產必須要從資源集中型的粗獷生產模式向技術集中型的集約化生產模式，以實現資源的合理利用。大型鑄件是當代工業生產的重要部件，尤其是在核電、軍工領域，大型鑄件的生產加工效率和質量直接構成了該產業技術突破、產能提高的瓶頸。隨著計算機、數控等先進制造技術的不斷創新和突破，大型鑄件的生產制造工業也有了新的發展，這為我國工業可持續發展提供了新的可能。

1數控加工技術發展現狀

近年來，數控技術發展迅猛，發達國家已在工業生產中全面普及了數控加工制造技術，一般為CAD模型驅動下的精確制造模式，通過數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，可避免絕大多數情況下人工操作造成的誤差，推動裝備材料制造進入精確化、精準化領域。此外，數控車床可結合其他生產設備，建立起半封閉的生產空間，再結合粉塵、廢渣回收系統，可有效減少生產過程中的粉塵、廢渣、非氣排放，提高生產的生態環境效益，進而落實可持續發展、生態發展目標。國外數控車床發展起步較早，以歐洲為例，早在上世紀80年代歐洲大部分工業發達國家已開始進行數控車床生產技術的探索與嘗試，2010歐洲至少有14個國家加入了英國謝菲爾德鑄造開發中心參與大型鑄件車床生產技術研發改良醒目。直至今日英法德等歐洲具有代表性的工業發達國已全面普及數控車床加工技術，甚至德國在生產已實現大鑄件的五面同步加工，極大的提高了工業生產效率。國內鑄型數控加工制造技術研究起步較晚，2006年左右我國機械科學研究總院先進制造技術研究中心正式提出了鑄型數字化加工技術研發項目，并于未來的三年內獨立開發了國內首臺鑄型數字化加工，其中一項專利已獲得國際專利。近年來通過不斷優化刀具材料、提高砂型加工性能、改善車床生產工藝、改進車床系統軟件及相關設備開發等，我國已獨立研發多種數控加工車床，在我國內工業企業中試產并取得成功。經過十數年的研究，我國車床鑄件加工技術也取得了長足發展，通過數字化技術、數控技術對傳統鑄件加工技術進行優化和調整，探索并創造了許多全新的數控加工制造新工藝、新方法，對傳統的CAD驅動下的數控裝置進行優化和升級，使大型鋼鑄件生產工序更加合理化、科學化、集約化，簡化了生產流程、提高了生產效率。以數控車床為基礎的鑄件制造與加工可以擺脫傳統鑄型生產的局限，打破模具使用的限制，實現無模化的、可重復性的、高效率的鋼鑄件生產和加工。

2無模化鑄型數控加工的原理和特點

數字化驅動下的快速無模化鑄型加工和生產是現代工業生產中常用技術，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，如長寬高、內外徑等，然后利用計算機設備將具體參數轉化為電子數據———通過電子計算機設備及特定的鑄型軟件于計算機設備中構建鑄型的虛擬模型，然后轉化為CAD數據并輸出三維CAD模型———將CAD模型數據上傳至生產加工車床上，由計算機根據模型參數和車床具體工作參數，作出最優的澆注路徑規劃———通過特定軟件對前一環節得到的最優澆注路徑規劃的合理性、科學性進行操作模擬，獲取鑄型制造仿真模型（數據），簡單來說就是計算機軟件后臺模擬澆注真實環境，評估設計、規劃及鑄型本身的合理與否，確認能否投入車床進行加工———若通過上一環節的模擬并輸出仿真模型，則根據仿真模擬結果將數據傳輸給車床控制設備，正式進入鑄型制造與加工環節———數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。無模化鑄型數控加工是在鑄型三維CAD的驅動下直接對砂型進行加工獲取鑄型，然后再進行澆注則可得到成品的鑄件。因此無模化鑄型數控加工技術對刀具設備可靠性、測算數值精準性、機電設備穩定性依賴程度較高，輕微的偏差均可導致最終成品的瑕疵。該設備是集合了CAD技術、鑄造技術、數控車床加工技術等為一體的鑄件制造與加工技術，不需要造型用模樣，而是使用數控技術替代傳統模具、模樣使用，使用數控技術的數字化、精密化、柔性化、綠色化的優勢替代傳統鑄件制造。目前國內鋼鐵裝備材料制造領域研究中已證實了該技術的可靠性和安全性，是現階段較為理想的鑄件生產制造工藝。該技術主要有以下幾方面特點：①生產工藝相對簡化，省略了傳統金屬鑄件制造過程中需要制造模的環節，大大縮短了加工制作周期，因此從設計到獲取成品的整體周期較短，生產效率更高。②與計算機技術、數控技術結合后，金屬鑄件的制造加工精度大大提高，且在生產制造的過程中無需預留拔模斜度，生產過程中人工干預更少。可有效避免人為因素造成的鑄件生產制造誤差。③數控技術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實現，可將其用于金屬鑄件的設計、開發與加工，能夠有效縮短金屬鑄件產品開發周期，為我國工業產品升級提供新的技術支撐。

3無模化數控加工技術在大型鑄鋼件生產中的應用

本章結合具體大型鋼鑄件加工制造案例對無模化數控加工技術在金屬鑄件制造中的應用進行探討，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，也是核電生產過程中壓水反應堆冷卻劑系統的主要動力單元，需在高輻射、高溫、高壓的工作環境下轉動泵內葉輪完成回路內循環，從而將堆芯人能傳輸給蒸汽發生器。本次研究所選冷卻機泵型號為國內核電站通用型號，最大長度3460mm，最大寬度3100mm，最大高度2360mm，最大厚度430mm，毛坯重40t，材質為Z3CN20-09M不銹鋼。本設備為RCCM核一級部件，對其性能、材料綜合力學特征均有著較高要求，在傳統的鑄件工藝下，制造前必須要確定至少復數個生產加工方案，然后不斷進行制造、澆注和調試，才能找到最佳的參數，若使用開模工藝，則生產周期和模具制造費用將不可控，制造成本可能大大超過預期，同時還需要承擔著工藝不合格帶來的模具報廢風險，因此無論是出于成本控制考慮還是制造安全考慮，數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

根據部件結構、功能特征，在進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定性較強且合箱操作難度較低，有利于調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定性較差，很難實現操作規定，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，但其有利于實現順序凝固且可在直視下配置冒煙口，是一種與向下澆注優劣勢翻轉的澆注工藝。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，只能夠通過調整和控制盡可能地避免澆注時的劣勢，降低瑕疵風險。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，確保砂芯穩定是保證部件結構穩定、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，一般情況下在進行澆筑前砂芯制作已完成，以保證澆注時有對應砂芯使用，避免延誤工期的情況發生。本案例中，考慮到兩種澆注方案的特性和鑄件的結構特征，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。使用鑄型數控成形加工機進行鑄型，選用澆注的原砂粒度越細加工出澆注的鑄型表面的光潔度就會越高，考慮到單獨準備型砂會給生產帶來較多的困難，而且選用較細的原砂后鑄型的透氣性會受到影響，因此型砂直接選用當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來滿足鑄型表面的質量要求。

3.3合箱和開箱方案

砂型加工完成后，根據制定的鑄造工藝要求進行冒口安放、涂刷涂料、合箱、熔煉和澆注。鑄件開箱后經清砂、熱處理、切割、打磨后進行相關的力學性能檢驗、尺寸檢驗、目視檢驗、100%射線探傷檢驗、100%液態滲透檢驗等多項檢驗。從檢驗結果看，鑄件表面與模具造型澆注的鑄件表面質量相當，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了較多的夾渣缺陷，會給后續打磨增加一定的工作量，這與預期是一致的。由于主法蘭部位冒口較大且布置在芯內切割冒口時發現切割難度大大增加。

3.4整體工藝總結

從整體上來看，該大型鋼鑄件無模化數控制造加工共三個環節：①將實際數值輸入電子計算機獲取工藝三維圖和三維模型；②分步進行砂型制作、澆筑、合箱模擬，確定相應參數，并將收集到的數據輸入到加工編程軟件確定生產制造工序；③按照既定方案進行制造與加工，最終開箱檢測、調試。

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作者：張向鵬 單位：安徽合肥技師學院