数控加工技术在铸钢件生产的应用

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摘要：小批件或单件大型铸钢件大多采用开模-造型芯-铸造流程，但铸模用时较长、制作成本较高，使得这一流程在生产周期和生产成本上存在局限性。随着数控技术的发展，无模化铸造加工技术在生产加工领域逐渐应用和推广，简化了铸钢件生产加工工艺，有效提高了铸钢件生产加工效率、大大提高了铸钢件生产加工效率，极大地促进了我国装备材料加工制造产业产能的提高和产业内资源的合理分配。

关键词：无模化数控加工技术；大型铸钢件；生产；应用

在工业发展中，冶金相关装备材料制造是工业发展基础环节，大型铸钢件则是装备材料制造的重中之重，这也是世界上所有工业发达国家均重视和发展大型铸钢件能力和技术的主要原因。现代工业生产已与继电器、计算机等机电设备相结合，大型铸钢件的生产也建立起了基于计算机技术的工艺流程，普遍采用计算机模拟+辅助生产+过程控制生产加工程序。随着发展理念的转变和生产资源的枯竭，现代工业生产必须要从资源集中型的粗犷生产模式向技术集中型的集约化生产模式，以实现资源的合理利用。大型铸件是当代工业生产的重要部件，尤其是在核电、军工领域，大型铸件的生产加工效率和质量直接构成了该产业技术突破、产能提高的瓶颈。随着计算机、数控等先进制造技术的不断创新和突破，大型铸件的生产制造工业也有了新的发展，这为我国工业可持续发展提供了新的可能。

1数控加工技术发展现状

近年来，数控技术发展迅猛，发达国家已在工业生产中全面普及了数控加工制造技术，一般为CAD模型驱动下的精确制造模式，通过数控机床直接完成铸件的砂型与铸型，简化了铸模缓解，大大提高了铸件制造效率。同时计算机控制下的铸造精度极高，可避免绝大多数情况下人工操作造成的误差，推动装备材料制造进入精确化、精准化领域。此外，数控车床可结合其他生产设备，建立起半封闭的生产空间，再结合粉尘、废渣回收系统，可有效减少生产过程中的粉尘、废渣、非气排放，提高生产的生态环境效益，进而落实可持续发展、生态发展目标。国外数控车床发展起步较早，以欧洲为例，早在上世纪80年代欧洲大部分工业发达国家已开始进行数控车床生产技术的探索与尝试，2010欧洲至少有14个国家加入了英国谢菲尔德铸造开发中心参与大型铸件车床生产技术研发改良醒目。直至今日英法德等欧洲具有代表性的工业发达国已全面普及数控车床加工技术，甚至德国在生产已实现大铸件的五面同步加工，极大的提高了工业生产效率。国内铸型数控加工制造技术研究起步较晚，2006年左右我国机械科学研究总院先进制造技术研究中心正式提出了铸型数字化加工技术研发项目，并于未来的三年内独立开发了国内首台铸型数字化加工，其中一项专利已获得国际专利。近年来通过不断优化刀具材料、提高砂型加工性能、改善车床生产工艺、改进车床系统软件及相关设备开发等，我国已独立研发多种数控加工车床，在我国内工业企业中试产并取得成功。经过十数年的研究，我国车床铸件加工技术也取得了长足发展，通过数字化技术、数控技术对传统铸件加工技术进行优化和调整，探索并创造了许多全新的数控加工制造新工艺、新方法，对传统的CAD驱动下的数控装置进行优化和升级，使大型钢铸件生产工序更加合理化、科学化、集约化，简化了生产流程、提高了生产效率。以数控车床为基础的铸件制造与加工可以摆脱传统铸型生产的局限，打破模具使用的限制，实现无模化的、可重复性的、高效率的钢铸件生产和加工。

2无模化铸型数控加工的原理和特点

数字化驱动下的快速无模化铸型加工和生产是现代工业生产中常用技术，也是大型钢铸件装备材料制作与加工的常用工艺。其工作原理如下：通过实际测量获得铸型的具体参数，如长宽高、内外径等，然后利用计算机设备将具体参数转化为电子数据———通过电子计算机设备及特定的铸型软件于计算机设备中构建铸型的虚拟模型，然后转化为CAD数据并输出三维CAD模型———将CAD模型数据上传至生产加工车床上，由计算机根据模型参数和车床具体工作参数，作出最优的浇注路径规划———通过特定软件对前一环节得到的最优浇注路径规划的合理性、科学性进行操作模拟，获取铸型制造仿真模型（数据），简单来说就是计算机软件后台模拟浇注真实环境，评估设计、规划及铸型本身的合理与否，确认能否投入车床进行加工———若通过上一环节的模拟并输出仿真模型，则根据仿真模拟结果将数据传输给车床控制设备，正式进入铸型制造与加工环节———数控车床在计算机的控制下完成铸型制造与加工并得到最终的铸型。无模化铸型数控加工是在铸型三维CAD的驱动下直接对砂型进行加工获取铸型，然后再进行浇注则可得到成品的铸件。因此无模化铸型数控加工技术对刀具设备可靠性、测算数值精准性、机电设备稳定性依赖程度较高，轻微的偏差均可导致最终成品的瑕疵。该设备是集合了CAD技术、铸造技术、数控车床加工技术等为一体的铸件制造与加工技术，不需要造型用模样，而是使用数控技术替代传统模具、模样使用，使用数控技术的数字化、精密化、柔性化、绿色化的优势替代传统铸件制造。目前国内钢铁装备材料制造领域研究中已证实了该技术的可靠性和安全性，是现阶段较为理想的铸件生产制造工艺。该技术主要有以下几方面特点：①生产工艺相对简化，省略了传统金属铸件制造过程中需要制造模的环节，大大缩短了加工制作周期，因此从设计到获取成品的整体周期较短，生产效率更高。②与计算机技术、数控技术结合后，金属铸件的制造加工精度大大提高，且在生产制造的过程中无需预留拔模斜度，生产过程中人工干预更少。可有效避免人为因素造成的铸件生产制造误差。③数控技术下铸模制造不需要制作实物，可通过计算模拟铸型和铸件浇注，而这一过程可在计算机中反复实现，可将其用于金属铸件的设计、开发与加工，能够有效缩短金属铸件产品开发周期，为我国工业产品升级提供新的技术支撑。

3无模化数控加工技术在大型铸钢件生产中的应用

本章结合具体大型钢铸件加工制造案例对无模化数控加工技术在金属铸件制造中的应用进行探讨，所选案例为典型大型钢铸，为核电站主回路中主要水泵，部件名称为反应堆冷却剂泵（PCR）。该铸件是核电站主回路中最重要的部件之一，也是核电生产过程中压水反应堆冷却剂系统的主要动力单元，需在高辐射、高温、高压的工作环境下转动泵内叶轮完成回路内循环，从而将堆芯人能传输给蒸汽发生器。本次研究所选冷却机泵型号为国内核电站通用型号，最大长度3460mm，最大宽度3100mm，最大高度2360mm，最大厚度430mm，毛坯重40t，材质为Z3CN20-09M不锈钢。本设备为RCCM核一级部件，对其性能、材料综合力学特征均有着较高要求，在传统的铸件工艺下，制造前必须要确定至少复数个生产加工方案，然后不断进行制造、浇注和调试，才能找到最佳的参数，若使用开模工艺，则生产周期和模具制造费用将不可控，制造成本可能大大超过预期，同时还需要承担着工艺不合格带来的模具报废风险，因此无论是出于成本控制考虑还是制造安全考虑，数字无模化制造加工均是更加合理的制造加工工艺。

3.1浇注工艺选择

根据部件结构、功能特征，在进行铸件浇注前确定了两种可行的浇注方案，分别为主法兰端向上浇注和主法兰端向下浇注。主法兰端向下浇注工艺的砂芯稳定性较强且合箱操作难度较低，有利于调整和控制铸件的尺寸和精度，但由上至下浇筑时，下方补缩冒烟口的装设难度较高且容易在上表面留下气孔缺陷；主法兰端向上浇注工艺的砂芯稳定性较差，很难实现操作规定，且浇注过程中不利于尺寸和精度观察，因此由下至上浇注在精度控制上存在偏差，但其有利于实现顺序凝固且可在直视下配置冒烟口，是一种与向下浇注优劣势翻转的浇注工艺。在实际的浇注过程中难免遇到各种各样的问题，不存在完美的浇注方案，只能够通过调整和控制尽可能地避免浇注时的劣势，降低瑕疵风险。在本项目中，最终选择了主法兰向下浇注这一浇注方案，相较于表面瑕疵和冒烟口装配，确保砂芯稳定是保证部件结构稳定、铸造成功的必要条件，因此最终选择主法兰端向下浇筑这一方案。

3.2砂芯方案

在大型钢铸件加工制造中，一般情况下在进行浇筑前砂芯制作已完成，以保证浇注时有对应砂芯使用，避免延误工期的情况发生。本案例中，考虑到两种浇注方案的特性和铸件的结构特征，无论是主法兰向上浇筑或主法兰向下浇注所使用的砂芯型号基本相同，对于差异之处可使用活块替代，这样无论选择哪种浇筑方案砂芯均可适用，从而避免材料的浪费。使用铸型数控成形加工机进行铸型，选用浇注的原砂粒度越细加工出浇注的铸型表面的光洁度就会越高，考虑到单独准备型砂会给生产带来较多的困难，而且选用较细的原砂后铸型的透气性会受到影响，因此型砂直接选用当前造型用浇注的树脂砂，原砂粒度浇注40~70目浇注，加工出的铸型表面与用模型造出的铸型表面相比需要增加涂料层数来满足铸型表面的质量要求。

3.3合箱和开箱方案

砂型加工完成后，根据制定的铸造工艺要求进行冒口安放、涂刷涂料、合箱、熔炼和浇注。铸件开箱后经清砂、热处理、切割、打磨后进行相关的力学性能检验、尺寸检验、目视检验、100%射线探伤检验、100%液态渗透检验等多项检验。从检验结果看，铸件表面与模具造型浇注的铸件表面质量相当，铸件尺寸精度高于模具造型得到铸件尺寸精度。另外，在铸件的上表面出现了较多的夹渣缺陷，会给后续打磨增加一定的工作量，这与预期是一致的。由于主法兰部位冒口较大且布置在芯内切割冒口时发现切割难度大大增加。

3.4整体工艺总结

从整体上来看，该大型钢铸件无模化数控制造加工共三个环节：①将实际数值输入电子计算机获取工艺三维图和三维模型；②分步进行砂型制作、浇筑、合箱模拟，确定相应参数，并将收集到的数据输入到加工编程软件确定生产制造工序；③按照既定方案进行制造与加工，最终开箱检测、调试。

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作者：张向鹏 单位：安徽合肥技师学院