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众所周知，我国机床行业在近十几年来已有举足轻重的发展，生产机床与工具的企业有4000余家。各类型的切削加工机床产量已超过100万台，机床铸件达350万t，居世界第一位。其差距是高端的数控机床挡不住进口，以美国、日本为首的工业发达国家对我国中、高端的数控机床的进行封锁。“2007年6月，美国开始实施的《对华高科技产品出口管制条例》中，增加了高精度转台、五轴精密加工中心、高仿真系统等军工及高技术产业专用装备的出口限制。日本经济产业省（原通产省）限制向中国出口高精度、复合加工 、五轴联动以上的高性能数控机床和五轴联动高档数控系统等 产品。 ” 为了生产出高端的数控机床的精度与精度保持性，机床行业在北京建立了超精密机床工程技术研究中心。在成都成立了精密工具工程技术研究中心。在湖南建立了超硬材料及制品工程技术研究中心。在沈阳建立了高档数控工程研究中心。并进行了多科目的科学研究与攻关。如“纳米级加工技术及设备”，“机床工艺造型设计技术”，“虚拟轴机床技术”，“磁悬浮轴承高速主轴单元”等。 占机床重量80%以上且对机床性能有重要影响的机床铸件，与冷加工的研究相比，有较大差距。去年，国家下达了“精密数控机床铸件尺寸精度稳定性的课题”，以提高数控机床铸件的质量。 值得提出来的是，目前在金属切削机床灰铸铁件技术条件中规定，以机械性能为验收的依据，化学成分不作为验收依据。如用户需要可在合同中另订。长期以来，这项规定在我国不少机床铸件生产厂造成认识上的误区：既然以力学性能为验收标准，而化学成分不作为验收标准，那么，以降低碳当量的措施达到高强度，则是最易实现的。长期以来由于我国机床铸件的高强度是在低碳当量下取得的，它对机床性能的负面影响是很大的。低碳当量、高强度产生的问题是： 收缩大，导致缩孔、缩松倾向增加； 残余应力大，导致尺寸精度稳定性差，开裂倾向增大； 流动性差，限制了铸件薄壁化； 加工性能差，导致切削速度的降低与力具寿命的下降； 减震性差，导致加工精度与精度稳定性的降低； 质量稳定性差，这是因为低碳当量导致的上述问题在生产中反复出现，此长彼消，质量难以稳定。在2014年中对国内具有代表性的机床生产企业调查表明，用户反馈意见中占第一位是质量不稳定。 一、高端数控机床的发展与机床铸件质量的提高； 近50年来，机床的精度已提高了100倍，已进入亚微米级及纳米级超精加工时代。高精度与精度的保持性是数控机床质量的首要指标。 1、机床精度与机床铸件的刚性及减震性； 精度是指被加工零件能达到的加工精度。因为目前高档数控机床已进入航空航天、兵器、核工业、电子技术、船舶等军工领域。重型、超重型数控机床已进入大型电站设备、石化冶金设备、汽车制造等。这些高精度、高速切削、强力切削的数控机床对机床铸件的刚度与减震性提出了更高的要求：航天航空、核工业、兵器、发电设备所需各种、特种性能的合金材料。加工时又“粘”又“硬”，故要求机床与机床铸件具有足够的抗变形能力，即使在高速、强力切削下仍能保持高精度。从使用角度上看，机床铸件的刚性比强度更为重要：实践与计算表明，即使最大的切削力，机床铸件的强度仍有较大的安全系数，但却会出现由于刚性差、抗变形的能力及减震性差而失去加工精度。因此高端数控精密机床在高速切削、强力切削下，机床铸件必须具有较高的刚性与优良的减震性。 现代数控机床中主要受力的机床件，往往不是按强度设计的，大部分是按刚性设计的。提高机床铸件刚性的措施来自两个方面：一个是提高铸件的结构刚性，这就是机床件向双层壁、多层壁结构发展。形成机床件薄壁化，结构日益复杂的重要原因。另一项措施是提高机床铸件的材质刚性，即弹性模量，而弹性模量的高低主要取决于抗拉强度，见表-1.因此现代的高端数控机床铸件皆采用了高强度灰铸铁HT300、HT350及高强度、高刚度球墨铸铁材质。 表-1 铸铁的强度与弹性模量 类别 灰铸铁 球墨铸铁 抗拉强度 (MPa) 155 185 215 265 310 355 400 400-650 弹性模量 （GPa） 103.5 111.7 120.0 129.7 137.9 141.4 144.8 160-180 保持加工时高精度的另一因素是机床铸件必须具备优良的减震性。值得提出的是，在减震性能中，灰铸铁的减震性优于球墨铸铁，而灰铸铁中，碳当量高的减震性又优于低碳当量者。  图-1 减震与强度 由图可知，高碳当量、低强度灰铸铁吸震率高，其次是低碳当量、高强度灰铸铁、球墨铸铁次于灰铸铁。碳钢最低，这也是机床件大部分是灰铸铁的原因。 长期以来，机床件的高刚度、高强度与要求优良的减震性的要求难以统一。前者为低碳当量，后者为高碳当量，因此高端精密机床的精度要求其机床件，既要有强有力的抗变形能力的材质刚性，又要有优良的减震性，这就要求碳当量与高强度、高刚度在一个新的高度上达到平衡。即在高碳当量下达到高强度、高刚度，才能满足高刚度、高减振性的要求。 2、机床精度保持性与机床铸件的残余应力： 机床精度保持性是高端数控机床的最重要的质量指标，目前我国与国外还有相当大的差距。国内数控机床的精度保持性约为一年，而国外可达五年。这是我国数控机床进口量为世界第一的主要原因之一。 铸件中的残余应力对铸件的尺寸精度稳定性的影响是很大的。在高精度的机床在加工中，引起塑性的，不可逆的变形有三个因素：工作负荷、材料刚度、残余应力。这三者中残余应力最为危险，因为其应力往往大于工作负荷，且它是持续的，不间断的。图-2中a)为未时效的机床铸件，残余应力较大，铸件变形大。图-2中b)为热时效后的机床铸件，残余应力较小，铸件变形较小。 图-2 a)为未热时效铸件 b)为经热时效消除残余应力60%的铸件 在灰铸件中，残余应力是与其强度及碳当量有着密切的关系，它随碳当量的降低而增大，见图-3。随抗拉强度的增大而增大。见图-4 图-3 碳当量对铸造应力的影响  图-4 抗拉强度对铸造应力的影响 因此，在相当长的一段时间，我国机床件的低碳当量、高强度所带来较高的高残余应力一直未能得到很好的解决。一些国外用户购买我国机床铸件后往往堆放半年或一年后再用，进行自然时效，降低与释放残余应力。因此，既要高刚度，又要低应力，则高碳当量、高强度是实现其最主要的途径。 3、机床铸件的高强度与加工性能 高精度的机床铸件，大部分都是用数控加工中心机床进行加工的。目前主轴转速从每分钟几千转，到几万转，甚至达十几万转。切削速度大幅度提高，每台数控中心皆有几百把刀具，换刀速度从十几秒到十秒、三秒，甚至达一秒。因此要求机床铸件有优良的切削性能，而现在的问题是低碳当量，不仅带来了铸铁的高强度，还带来了高硬度，见表-2。导致了加工性能的恶化，见表-3. 表-2 灰铸铁的强度与硬度 抗拉强度 （MPa） 200 240 350 380 硬度 （HBW） 163 207 255 315 加工性能与硬度的关系，见表-3。 表-3 硬度与灰铸铁的加工性能 硬度（HBW） 160-190 190-220 220-240 ＞240 切削性能 易切削 切削顺利 可加工 加工困难 德国企业中，常用试棒上抗拉强度与硬度之比的m值来初步表征切削性能的优劣，在同样的强度下，m位越高，加工性能优良，见表-4. 表-4 灰铸铁切削性能的表征（m=  ）(德国) 铸铁牌号 GG20 GG25 GG30 GG35 加工性能指标 （m= ） 0.95-1.18 1.04-1.39 1.15-1.50 1.25-1.67 注：在实际生产中，强度值的控制以在两级中间为宜，不必超过高一级的指标。 在灰铸铁的冶金指标中，硬化度(HG)就是衡量加工性能优劣的一个指标：  由公式可知，共晶度Sc越高，硬度越低，因此在保持高强度的同时采取措施提高碳当量，才能降低硬度，即只有在高强度、高碳当量下才能较好的改善加工性能。 4、机床铸件的碳当量与铸件薄壁化及缩松缺陷； 在达到HT300力学性能下，其所含的碳当量不同，其铸造性能中的铁液流动性与铸铁的收缩相差甚大。表-5为灰铸铁碳当量与流动及残余应力。表-6为不同碳当量下的收缩性，因机床铸件一般皆为亚共晶铸铁，因此碳当量越低，流动性越差，收缩越大,残余应力越大。 表-5 灰铸铁碳当量与流动及残余应力 碳当量CE（%） 流动性（1400℃） 螺旋线长度(mm) 4.05 4.08 4.02 3.76 995 965 947 703 表-6 灰铸铁碳当量与铸铁的凝固收缩及残余应力 碳当量CE（%） 缩松相对容积（%） 体收缩率（%） 残余应力（MPa） 4.05 0.57 2.80 51.0 4.08 0.64 3.22 52.0 4.02 0.64 2.98 50.0 3.76 0.76 3.33 70.7 表-7 灰铸铁 碳当量与铸铁的固态收缩（铸件壁厚20mm） 碳当量CE（%） 3.50 3.56 3.70 3.73 3.9 自由收缩率（%） 1.35 1.30 1.25 1.20 1.15 由表可知，要机床铸件薄壁化，减少缩松，缩孔缺陷必须在高强度下提高碳当量。目前国外的机床比我国机床重量轻8%-10%。中型机床壁厚已达14-20mm。小型机床件壁厚已达8-12mm。低碳当量、高强度灰铸件已是实现薄壁化的严重障碍及造成缩松的重要原因。 综合上述充分表明高碳当量、高强度、高刚度、低应力是高端数控机床铸件的核心要求。 |
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