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礦物鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計
礦物鑄件產(chǎn)品設(shè)計
礦物鑄件的主體壁厚以及加強(qiáng)筋厚度一般來說至少是礦石直徑的5倍。通常情況下礦石的最大直徑為16mm,因此礦物鑄件的主體壁厚至少應(yīng)該有80mm。由于礦物鑄件澆鑄后的殘余應(yīng)力很小,不同的壁厚以及突然從厚變薄的過渡區(qū)域都是可以實現(xiàn)的,但大面積的薄壁同局部精度要求高的厚壁過渡易出現(xiàn)變形現(xiàn)角。通過選擇合適的截面積,可考慮差值很大的抗拉和抗壓屈服強(qiáng)度,同樣也可以得到優(yōu)異的結(jié)構(gòu)剛性。
具有承重結(jié)構(gòu),如龍門,立柱壁厚的設(shè)計至關(guān)重要,結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,自重及負(fù)載掛重均可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)偏弱變形的現(xiàn)象,設(shè)計時須重點考量。
非承重結(jié)構(gòu)部分可以采用較薄的壁厚,這種情況下可以采用較小直徑的礦石。澆鑄流程是多次完成的,第一次的澆鑄也稱為預(yù)澆鑄,需要適用較小直徑的礦石混合物。
盡管和天然石料及鑄造金屬相比,礦物鑄造技術(shù)在下列方面具有明顯的設(shè)計優(yōu)勢:可以一次澆鑄成型完整的復(fù)雜結(jié)構(gòu),而用天然花崗石時通常需要裝配、拼接或粘接等;緊固件、管路、線纜、孔腔可以預(yù)埋到結(jié)構(gòu)中,嵌件材料包括金屬、石材、陶瓷、塑料等。和所有的金屬和非金屬材料一樣,要實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計功能,不僅要懂得機(jī)械設(shè)計原理和技巧,還需要了解材料的物理、化學(xué)、機(jī)械等特性指標(biāo)。懂得機(jī)械設(shè)計的專業(yè)人才很多,但同時兼具機(jī)械設(shè)計和熟悉礦物鑄件材質(zhì)性能特性的人不多。
國內(nèi)很多嘗試使用礦物鑄件技術(shù)失敗的案例,一方面可能是由于某些礦物鑄件生產(chǎn)廠家并未完全掌握這一技術(shù),所生產(chǎn)的產(chǎn)品并為滿足DIN標(biāo)對礦物鑄件技術(shù)指標(biāo)的定義,另一方面則是客戶的結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師并不了解礦物鑄件材料的特性,而礦物鑄造的技術(shù)人員不了解結(jié)構(gòu)設(shè)計,造成所設(shè)計的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上存在缺陷,某些部位的設(shè)計過于薄弱;或者設(shè)計時沒有考慮礦物鑄件的特性,造成礦物鑄件生產(chǎn)過程中無法完整的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)特點?;蛘呙つ考庸蹋斐山?jīng)濟(jì)上不合理。
針對礦物鑄件是否耐濕熱得環(huán)境,過高的溫度及濕熱的環(huán)境對產(chǎn)品也將產(chǎn)生一定的影響,高溫高濕易導(dǎo)致礦物鑄件蠕變的發(fā)生,高精度設(shè)備放置在恒溫的環(huán)境將變得更為理想,而針對普通的外部環(huán)境,產(chǎn)品設(shè)計就顯得尤為重要。
使用FEM(有限元法)可以對零件結(jié)構(gòu)以及機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的各種性能進(jìn)的計算。通過計算床身或部件的形變,得到其最優(yōu)力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)然使用有限元法同樣可以精準(zhǔn)分析動態(tài)變化和動態(tài)性能。。
與鑄鐵脫模相似,礦物鑄件的脫模也需要設(shè)計脫模斜度,斜度理想在3度左右,沒有特殊要求的情況下,斜度可以適當(dāng)做大,便于脫模,過高深度最小可至1度。
在攪拌礦物材料的過程中,空氣會進(jìn)礦石樹脂混合物中,然后在澆鑄過程中,這些空氣可能會滯留在模具和混合物內(nèi)部。為了確保鑄件內(nèi)部不會出現(xiàn)塑孔,所以在灌澆礦物材料之后,還需要震動模具一段時間,直至不再有氣泡冒出。如上所述,在模具設(shè)計中就必須考慮如何排氣。就需要設(shè)計合理的模具以及預(yù)埋件,使其既不妨礙礦物鑄件材料的流動和注入,也不會影響空氣的排出。在澆鑄過程中,礦物材料慢慢上升,在與模具內(nèi)側(cè)水平接觸的表面上,最容易出現(xiàn)氣泡。這樣的接觸面要盡可能避免,或者采用相對的傾斜面,使得空氣能夠被擠出。
在設(shè)計礦物鑄件時必須注意材料性能的特殊性,例如礦物鑄件可承受的壓力遠(yuǎn)要比拉力高。
在設(shè)計錨固預(yù)埋件時,要注意預(yù)埋件與鑄件外壁保持足夠的距離,以免受力后鑄件破損。離外沿最小安全距離設(shè)計時依承重要求進(jìn)行考量。
在鑄件中預(yù)埋螺紋孔鑲件時,要確保鑄件材料能夠承受實際作用在螺紋孔上的法向載荷。如果鑲件存在受力被拔出的風(fēng)險,需要選擇合適的金屬螺紋孔鑲件,并且將其設(shè)置在合適的位置。
在礦物鑄件的突臺凹面等外形之間的過渡區(qū)域需要采用圓角或是倒角,這樣可以明顯減弱切口效應(yīng),優(yōu)化力線通量。
在礦物鑄件裝卸運(yùn)輸?shù)倪^程中,同樣也必須采用合理的措施。針對在安全裝卸必須使用吊車的大型礦物鑄件,必須在鑄件中設(shè)置吊裝夾具。為了防止使用叉車裝卸運(yùn)輸對礦物鑄件的損壞,可以在鑄件底部加設(shè)軌道鋼條
鑄造模具
礦物鑄件的模具是由鑄鐵模,鋼模,木模、鋁等這些材料的組合制成。選擇合適的形式的材料的主要標(biāo)準(zhǔn)是:
生產(chǎn)鑄件的估計數(shù)量;產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量;尺寸、重量;成本和時間。
鑄模的設(shè)計、鑄模的計算和鑄模的構(gòu)建都可與部件的生產(chǎn)平行進(jìn)行。必須考慮鑄模的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),以確保高尺寸精度和高靜、動態(tài)剛性:
· 鑄模的主要功能表面的設(shè)計對于保證準(zhǔn)確性至關(guān)重要。
· 鑄模大多由板材制成。基本幾何形狀是從簡單的元素設(shè)計的。
零組件,鑲件預(yù)埋
帶螺紋的鑲件、鋼板、運(yùn)輸錨、線纜和線槽以及和中空元件可以直接鑄造在礦物鑄造組件之中,因為它是一個冷鑄造工藝。
為了確保隨后最佳工作狀態(tài),所有的機(jī)械部件必須牢固固定,因為隨后它們的位置不能再予以糾正,如果緊固件尚未充分固定,才能更改它們的位置。必須確保在設(shè)計組件時以及在構(gòu)建模具時(尤為重要),鑲件不妨礙材料的流動或鑄模排出氣體。
如果螺紋孔太靠近邊緣,或者如果礦物鑄件帶有配合孔的孔方案,特殊鑄件要鑄造在其中。這些特殊的鑄件(鑄模、板材)用六角螺絲錨定到礦物鑄件上。
產(chǎn)品精度面要求
一套優(yōu)質(zhì)模具可以使礦物鑄件初坯的最高精度達(dá)到約+/- 0.1 mm/m。當(dāng)然在各個部件之間有許多公差配合,要求的精度須更高,如裝配固定直線導(dǎo)軌的滑槽和裝配基面。要達(dá)到此類平面的公差要求,則必須集成一種叫功能性表面的特殊基面。目前主要采用四種工藝來生產(chǎn)此類平面,具體說明如下:
· 礦物鑄件切削加工 - 在此工藝中,初坯在澆鑄時留有一定的過盈量,最后通過磨削或銑削達(dá)到所需精度
· 礦物鑄件切削加工- 在此工藝中,金屬零件,如鋼條或鑄鐵,將會集成預(yù)埋到礦物鑄件中,在固化完全后對其金屬面進(jìn)行切削加工
· 復(fù)印工藝 - 在該工藝中,礦物鑄件初坯將留有2mm的余量,在脫模后,通過高精度工裝固定后,進(jìn)行第二次澆鑄,不過對應(yīng)精度要求高,及量大的情形下,復(fù)印工藝顯得不太合適。
· 精密零件再澆鑄 - 在初坯脫模后,使用高精度工裝模具精準(zhǔn)定位,精密零件二次澆鑄植入礦物鑄件.
裝卸過程設(shè)計合理的位置,避免破損產(chǎn)品邊角,運(yùn)輸過程中,礦物鑄件必須被安全固定。運(yùn)輸裝卸應(yīng)使用吊車、叉車和卡車。另外還需要安裝合適的吊裝夾具和鋼條。
原則上安裝礦物鑄件的方法與鑄鋼/鑄鐵類似。專用基礎(chǔ)地基對于大型機(jī)械設(shè)備尤其重要,它采用特殊的適應(yīng)性土建構(gòu)造,其自重大約是機(jī)床設(shè)備重量的70-90%,通過提高慣性質(zhì)量,保證了整個系統(tǒng)的抗震剛性,使得設(shè)備可以平穩(wěn)運(yùn)行,從而滿足對加工精度的要求。
尤其在加工特大型工件,或加工力很大,以及受沖擊型載荷的情況下,必然會出現(xiàn)機(jī)床設(shè)備局部下陷,使得尺寸精度不能在整個加工范圍內(nèi)滿足常規(guī)要求。這種情況下針對性的基礎(chǔ)地基設(shè)計變得尤其重要。