礦物鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦物鑄件產(chǎn)品設(shè)計(jì)

礦物鑄件的主體壁厚以及加強(qiáng)筋厚度一般來(lái)說(shuō)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(guò)渡區(qū)域都是可以實(shí)現(xiàn)的，但大面積的薄壁同局部精度要求高的厚壁過(guò)渡易出現(xiàn)變形現(xiàn)角。通過(guò)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(jì)至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)須重點(diǎn)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(jì)優(yōu)勢(shì)：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(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能，不僅要懂得機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)的專業(yè)人才很多，但同時(shí)兼具機(jī)械設(shè)計(jì)和熟悉礦物鑄件材質(zhì)性能特性的人不多。

    國(guó)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(duì)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(jì)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(jì)，造成所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上存在缺陷，某些部位的設(shè)計(jì)過(guò)于薄弱；或者設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮礦物鑄件的特性，造成礦物鑄件生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法完整的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?；蛘呙つ考庸?，造成經(jīng)濟(jì)上不合理。

   針對(duì)礦物鑄件是否耐濕熱得環(huán)境，過(guò)高的溫度及濕熱的環(huán)境對(duì)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(duì)普通的外部環(huán)境，產(chǎn)品設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。 

有限元法分析

    使用FEM（有限元法）可以對(duì)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(jì)算。通過(guò)計(jì)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(jì)。當(dāng)然使用有限元法同樣可以精準(zhǔn)分析動(dòng)態(tài)變化和動(dòng)態(tài)性能。。

產(chǎn)品脫模

與鑄鐵脫模相似，礦物鑄件的脫模也需要設(shè)計(jì)脫模斜度，斜度理想在3度左右，沒(méi)有特殊要求的情況下，斜度可以適當(dāng)做大，便于脫模，過(guò)高深度最小可至1度。

澆鑄過(guò)程排氣

    在攪拌礦物材料的過(guò)程中，空氣會(huì)進(jìn)礦石樹(shù)脂混合物中，然后在澆鑄過(guò)程中，這些空氣可能會(huì)滯留在模具和混合物內(nèi)部。為了確保鑄件內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)塑孔，所以在灌澆礦物材料之后，還需要震動(dòng)模具一段時(shí)間，直至不再有氣泡冒出。如上所述，在模具設(shè)計(jì)中就必須考慮如何排氣。就需要設(shè)計(jì)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(dòng)和注入，也不會(huì)影響空氣的排出。在澆鑄過(guò)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(duì)的傾斜面，使得空氣能夠被擠出。

結(jié)構(gòu)負(fù)載

在設(shè)計(jì)礦物鑄件時(shí)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(jì)錨固預(yù)埋件時(shí)，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(jì)時(shí)依承重要求進(jìn)行考量。

在鑄件中預(yù)埋螺紋孔鑲件時(shí)，要確保鑄件材料能夠承受實(shí)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(xiǎn)，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(tái)凹面等外形之間的過(guò)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^(guò)程中，同樣也必須采用合理的措施。針對(duì)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(duì)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(jì)數(shù)量；產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量；尺寸、重量；成本和時(shí)間。

鑄模的設(shè)計(jì)、鑄模的計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以確保高尺寸精度和高靜、動(dòng)態(tài)剛性：

·  鑄模的主要功能表面的設(shè)計(jì)對(duì)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(jiǎn)單的元素設(shè)計(jì)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?yàn)樗且粋€(gè)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?yàn)殡S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(jì)組件時(shí)以及在構(gòu)建模具時(shí)（尤為重要），鑲件不妨礙材料的流動(dòng)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(gè)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(lái)生產(chǎn)此類平面，具體說(shuō)明如下：

·    礦物鑄件切削加工 - 在此工藝中，初坯在澆鑄時(shí)留有一定的過(guò)盈量，最后通過(guò)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(huì)集成預(yù)埋到礦物鑄件中，在固化完全后對(duì)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(guò)高精度工裝固定后，進(jìn)行第二次澆鑄，不過(guò)對(duì)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.

裝卸與運(yùn)輸

裝卸過(guò)程設(shè)計(jì)合理的位置，避免破損產(chǎn)品邊角，運(yùn)輸過(guò)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。

設(shè)備定位安裝

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(duì)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(guò)提高慣性質(zhì)量，保證了整個(gè)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(duì)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(huì)出現(xiàn)機(jī)床設(shè)備局部下陷，使得尺寸精度不能在整個(gè)加工范圍內(nèi)滿足常規(guī)要求。這種情況下針對(duì)性的基礎(chǔ)地基設(shè)計(jì)變得尤其重要。