（貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550025）

主軸箱是各類機床承載刀頭運轉(zhuǎn)的主要零部件，其對于機床的加工精度和平穩(wěn)性，以及機床的強度起決定性的作用，尤其是軸孔、鉗口、滑動導軌面不能有任何鑄造缺陷。通常主軸箱采用鑄鐵材料，采用主軸孔垂直放置的澆注位置進行砂型重力鑄造生產(chǎn)。本文結(jié)合相關企業(yè)新近生產(chǎn)經(jīng)驗，利用數(shù)值模擬軟件AnyCasting 進行工藝優(yōu)化設計，為相關主軸箱鑄件的生產(chǎn)提供技術參考。

1 主軸箱結(jié)構(gòu)分析

該主軸箱整體結(jié)構(gòu)對稱，內(nèi)部為空腔，如圖1所示；輪廓尺寸468 mm×360 mm×344 mm，重95 kg，最大壁厚（底座及主軸孔內(nèi)側(cè)）為55 mm，最小壁厚（主軸孔外側(cè)薄壁處）19 mm，最大孔徑95 mm，鑄件壁厚差較大，有不少妨礙起模的凸臺及凹槽，結(jié)構(gòu)較復雜，造型較困難，屬中小型鑄件；從功能方面看出主軸孔處質(zhì)量相對要求較高；零件圖紙要求各個加工面粗糙度（Ra）為6.3 μm，且無氣孔、夾砂等缺陷。

圖1 主軸箱結(jié)構(gòu)三維圖

2 鑄造工藝設計

2.1 鑄造工藝分析

主軸箱材質(zhì)為HT300，主軸箱鑄件質(zhì)量（特別是主軸孔）要求高，需要加工面較多，螺紋孔均不鑄出，所以根據(jù)鑄件技術要求，采用手工造型，砂型重力鑄造，鑄件尺寸公差等級選取為CT13，鑄造質(zhì)量公差等級選取為MT13，起模斜度為1°，機械加工余量等級為F-H 級；根據(jù)鑄件的“澆注位置”，處于底部的地方選擇等級高的F 級，側(cè)面G 級，主軸孔及頂部平面為H 級；體收縮率取為0.9%.

由于HT300 有一定的石墨化補縮性能，可采用無冒口設計[1]；鑄件主軸孔要求結(jié)晶質(zhì)量高，同時考慮軸孔熱節(jié)處若開設冒口，會大幅度影響軸孔壁結(jié)晶質(zhì)量，導致軸孔部位機械性能不達標[2]；而最大壁厚（底座及主軸孔內(nèi)側(cè)）處有產(chǎn)生組織缺陷的可能，需要通過冷鐵設置來保證質(zhì)量。

2.2 澆注位置選擇

針對鑄件結(jié)構(gòu)特征，為保證主軸孔質(zhì)量，澆注位置可有圖2 a）、b）所示兩種澆注位置。文獻[3]報道在共享集團有類似產(chǎn)品如圖3 所示，該集團通過生產(chǎn)驗證提出，圖2 b）所示澆注位置的軸孔在垂直放置時，出現(xiàn)內(nèi)腔砂芯易破壞、易錯位、頂端間隙要求高、生產(chǎn)效率低等問題。圖2a）所示澆注位置能防止以上問題的出現(xiàn)，且砂芯數(shù)量減少，造型組芯操作更簡潔方便，所以選擇圖2a）澆注位置.

圖2 澆注位置

2.3 分型面及澆注系統(tǒng)設計

該鑄件上下較為對稱，將分型面選擇在中間位置，利于中間砂芯定位支撐，也能從分型面處進行排氣。雖然此澆注位置時型腔高度并不高，但為了使鑄件達到順序凝固，且軸孔處的晶粒組織得到有效細化，內(nèi)澆口位置設置在鑄件質(zhì)量要求相對不高的厚大底座處，并采用階梯式澆注系統(tǒng)，如圖4 所示。直澆道偏置一是適應底部結(jié)構(gòu)的不對稱而方便造型，二是提高橫澆道擋渣效果。

采用半封閉式澆注系統(tǒng)，各截面積比值為∑Ag∶∑Aru∶∑Aδ=1∶1.5∶1.2，配合盆池形澆口杯及橫澆道，能在澆注過程中起到明顯的擋渣作用[4]。各澆道尺寸通過計算可得，直澆道最小截面為9.6 cm2，橫澆道最小截面積為12cm2，內(nèi)澆道總截面積為8cm2.校核后，液面上升速度為3.5 cm/s，充型時間為14 s；考慮到酚醛樹脂砂強度較高，且采用階梯式澆注系統(tǒng)后，對底部澆道的沖刷時間可減少到5 s～7 s 內(nèi)，可以不用設置陶瓷管，從而降低造型成本。建模造型如圖5 所示。

圖5 澆注系統(tǒng)建模

3 砂芯設計

砂芯采用自硬酚醛樹脂砂，其強度及尺寸精度高，所以內(nèi)腔由1 號砂芯整體成形，澆注系統(tǒng)用2、3號組芯成形。根據(jù)下芯順序進行編號，1 號砂芯尺寸較小，無明顯懸臂外形，查閱手冊[5]可以不設置芯骨；但主軸孔處質(zhì)量要求較高，以及樹脂砂的樹脂高溫分解，會產(chǎn)生大量氣體，特放置一根管狀芯骨進行支撐，且管狀芯骨表面布滿孔洞用于排氣，還可以通過側(cè)面的分型面進行排氣。各個砂芯如圖6所示。

砂芯在鑄型中的放置如圖7 所示，1 號砂芯的水平芯頭長度為40 mm，由于樹脂砂精度較高，芯頭與芯座的間隙可控制在0.2 mm，且配合面為圓柱面，可不留斜度。

圖6 砂芯

圖7 砂芯位置

4 數(shù)值模擬

采用Anycasting 軟件進行數(shù)值模擬，其模擬條件均通過經(jīng)驗公式[5]計算后所得，澆注溫度為1 360 ℃，型、芯砂初始溫度25 ℃，充型速度為3.5 cm/s，網(wǎng)格劃分中，澆注系統(tǒng)單元數(shù)量為16 712 個，鑄件單元數(shù)量為51 649 個。模擬結(jié)果如圖8、圖9 所示，充型模擬結(jié)果表明，總的澆注時間為14 s，前7 s 由底層澆道充填，7 s 后由第二層澆道充填，整個過程并未出現(xiàn)亂澆現(xiàn)象，且兩層澆道充填時間相近，說明在第7 s 后，底層澆道不再充填或只有極少量的金屬液流入，這樣使得半封閉階梯式澆注系統(tǒng)的優(yōu)勢能夠發(fā)揮出來。凝固過程的模擬結(jié)果及收縮體積模型發(fā)現(xiàn)，在軸孔熱節(jié)、底座4 個角的冷卻速度較慢，需要做進一步優(yōu)化。

圖8 充型模擬過程

本次設計為無冒口設計，所以為了使軸孔厚大部位與薄壁處冷卻時間差距縮短，使用石墨冷鐵加快軸孔處的冷卻速度，縮短冷卻時間差距，可以讓厚壁與薄壁處的組織晶粒細化程度大致相同，使其機械性能得到保證[6]。選用石墨冷鐵是為了防止在澆注過程中與鑄件粘連，方便清理。底座4 個角采用普通的鑄鐵材質(zhì)外冷鐵，可降低成本，其位置如圖10 所示。

空氣壓力分布如圖11，從圖11 可以看出。在分型面?zhèn)让媾艢夂?，鑄件頂部還是有一定的空氣壓力，所以在該澆注位置的頂部開設4 個φ20 mm 的排氣孔，在砂型成形后，用麻花鉆鉆出亦或由模板成型即可，位置示意圖如圖12 所示。設置冷鐵后，再次進行數(shù)值模擬，觀察概率缺陷產(chǎn)生部位如圖13所示，可以觀察到主軸孔表面有可能出現(xiàn)輕微組織缺陷，但在主軸孔剖面內(nèi)部并無缺陷出現(xiàn)，而主軸孔留有足夠的加工余量，所以主軸孔達到合格要求。內(nèi)澆道設置在厚大且質(zhì)量要求相對較低的底座處，有利于主軸孔冷卻而保障主軸孔結(jié)晶質(zhì)量，有利于液態(tài)金屬的充填穩(wěn)定均勻[7]，利于澆道對底座厚大部位的補縮，還方便切除。位于側(cè)面的概率缺陷是由壁厚差距造成，厚壁處冷卻慢，向薄壁處有所補縮，但與相關企業(yè)工程師交流時得知，根據(jù)HT300 鑄造性能的特點，其自身的石墨化膨脹會抵消輕微的縮松縮孔，且該澆注位置的側(cè)面皆為非加工面，為非重要表面，所以對此不作優(yōu)化處理，將冷鐵設置在重要部位（軸孔及底座），能夠保證產(chǎn)品合格率的條件下，極大地節(jié)約生產(chǎn)成本。

5 結(jié)論

圖9 凝固模擬過程

圖10 冷鐵位置

圖11 充型過程型腔氣體壓力模擬

根據(jù)主軸箱結(jié)構(gòu)特征、質(zhì)量要求高、單件小批生產(chǎn)的特點，采用砂型重力鑄造工藝進行制造；型、芯砂均采用自硬酚醛樹脂砂，具有良好的強度及尺寸精度；澆注位置的主軸孔從垂直放置改為水平放置，能夠減少組芯數(shù)量，造型簡單，不僅利于砂芯定位支撐，不易錯位，也能減少鑄件氣孔缺陷；同時，采用階梯式澆注系統(tǒng)，澆口開設在質(zhì)量要求不高的厚大底座處，有利于主軸孔冷卻而保障結(jié)晶質(zhì)量，還能提高充填均勻性，對底座也能起到補縮作用，并減少高溫鐵液澆注時對底部澆道及型腔的沖刷時間，從而減少鑄型被沖刷破壞的可能性；通過冷鐵的設置，避免使用冒口，保證結(jié)晶質(zhì)量，造型簡單，降低生產(chǎn)成本，提高鑄造出品率。本次優(yōu)化設計成果對相關企業(yè)的類似產(chǎn)品生產(chǎn)具有一定的技術參考意義。

圖12 排氣孔位置

圖13 概率缺陷分布