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境，過高的溫度及濕熱的環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生，高精度設備放置在恒溫的環境將變得更為理想，而針對普通的外部環境，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，得到其最優力學結構設計。當然使用有限元法同樣可以精準分析動態變化和動態性能。。

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域需要采用圓角或是倒角，這樣可以明顯減弱切口效應，優化力線通量。

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，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，保證了整個系統的抗震剛性，使得設備可以平穩運行，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要求。這種情況下針對性的基礎地基設計變得尤其重要。