礦物鑄件產品結構設計

礦物鑄件產品設計

礦物鑄件的主體壁厚以及加強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該有80mm。由于礦物鑄件澆鑄后的殘余應力很小，不同的壁厚以及突然從厚變薄的過渡區(qū)域都是可以實現的，但大面積的薄壁同局部精度要求高的厚壁過渡易出現變形現角。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度，同樣也可以得到優(yōu)異的結構剛性。

具有承重結構，如龍門，立柱壁厚的設計至關重要，結構設計不合理，自重及負載掛重均可能出現結構偏弱變形的現象，設計時須重點考量。

  非承重結構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，礦物鑄造技術在下列方面具有明顯的設計優(yōu)勢：可以一次澆鑄成型完整的復雜結構，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、孔腔可以預埋到結構中，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，要實現產品的設計功能，不僅要懂得機械設計原理和技巧，還需要了解材料的物理、化學、機械等特性指標。懂得機械設計的專業(yè)人才很多，但同時兼具機械設計和熟悉礦物鑄件材質性能特性的人不多。

    國內很多嘗試使用礦物鑄件技術失敗的案例，一方面可能是由于某些礦物鑄件生產廠家并未完全掌握這一技術，所生產的產品并為滿足DIN標對礦物鑄件技術指標的定義，另一方面則是客戶的結構設計工程師并不了解礦物鑄件材料的特性，而礦物鑄造的技術人員不了解結構設計，造成所設計的產品在結構上存在缺陷，某些部位的設計過于薄弱；或者設計時沒有考慮礦物鑄件的特性，造成礦物鑄件生產過程中無法完整的實現結構特點。或者盲目加固，造成經濟上不合理。

   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)境對產品也將產生一定的影響，高溫高濕易導致礦物鑄件蠕變的發(fā)生，高精度設備放置在恒溫的環(huán)境將變得更為理想，而針對普通的外部環(huán)境，產品設計就顯得尤為重要。 

有限元法分析

    使用FEM（有限元法）可以對零件結構以及機床整體結構的各種性能進的計算。通過計算床身或部件的形變，得到其最優(yōu)力學結構設計。當然使用有限元法同樣可以精準分析動態(tài)變化和動態(tài)性能。。

產品脫模

與鑄鐵脫模相似，礦物鑄件的脫模也需要設計脫模斜度，斜度理想在3度左右，沒有特殊要求的情況下，斜度可以適當做大，便于脫模，過高深度最小可至1度。

澆鑄過程排氣

    在攪拌礦物材料的過程中，空氣會進礦石樹脂混合物中，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部。為了確保鑄件內部不會出現塑孔，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，在模具設計中就必須考慮如何排氣。就需要設計合理的模具以及預埋件，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，在與模具內側水平接觸的表面上，最容易出現氣泡。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。

結構負載

在設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要比拉力高。

在設計錨固預埋件時，要注意預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計時依承重要求進行考量。

在鑄件中預埋螺紋孔鑲件時，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險，需要選擇合適的金屬螺紋孔鑲件，并且將其設置在合適的位置。

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，優(yōu)化力線通量。

在礦物鑄件裝卸運輸的過程中，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，必須在鑄件中設置吊裝夾具。為了防止使用叉車裝卸運輸對礦物鑄件的損壞，可以在鑄件底部加設軌道鋼條

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準是：

    生產鑄件的估計數量；產品精度和表面質量；尺寸、重量；成本和時間。

鑄模的設計、鑄模的計算和鑄模的構建都可與部件的生產平行進行。必須考慮鑄模的設計標準，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計對于保證準確性至關重要。

·  鑄模大多由板材制成。基本幾何形狀是從簡單的元素設計的。

零組件，鑲件預埋

帶螺紋的鑲件、鋼板、運輸錨、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。必須確保在設計組件時以及在構建模具時（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。 

產品精度面要求 

一套優(yōu)質模具可以使礦物鑄件初坯的最高精度達到約+/- 0.1 mm/m。當然在各個部件之間有許多公差配合，要求的精度須更高，如裝配固定直線導軌的滑槽和裝配基面。要達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，將會集成預埋到礦物鑄件中，在固化完全后對其金屬面進行切削加工

·   復印工藝 - 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，進行第二次澆鑄，不過對應精度要求高，及量大的情形下，復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定位，精密零件二次澆鑄植入礦物鑄件.

裝卸與運輸

裝卸過程設計合理的位置，避免破損產品邊角，運輸過程中，礦物鑄件必須被安全固定。運輸裝卸應使用吊車、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。專用基礎地基對于大型機械設備尤其重要，它采用特殊的適應性土建構造，其自重大約是機床設備重量的70-90%，通過提高慣性質量，保證了整個系統(tǒng)的抗震剛性，使得設備可以平穩(wěn)運行，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，必然會出現機床設備局部下陷，使得尺寸精度不能在整個加工范圍內滿足常規(guī)要求。這種情況下針對性的基礎地基設計變得尤其重要。