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鑄造CMC在2噸大型鑄鐵砝碼上的應(yīng)用 說(shuō)明：
1縮孔預(yù)測(cè)方法
該程序在計(jì)算鑄造中球墨鑄鐵熱收縮與凝固的石墨膨脹時(shí),一邊考慮冒口的熔融金屬補(bǔ)澆,一邊計(jì)算凝固中的2噸鑄鐵砝碼內(nèi)應(yīng)力。在此,所謂鑄鐵砝碼內(nèi)應(yīng)力是由于凝固過(guò)程中的膨脹、收縮部位有差異而產(chǎn)生凝固延遲部位的作用應(yīng)力。也就是說(shuō),凝固速度快的部位(鑄鐵砝碼的外側(cè))膨脹時(shí),應(yīng)力要擴(kuò)展到凝固延遲部位(發(fā)熱點(diǎn)即局部過(guò)熱)。
而在鑄鐵砝碼中,上述內(nèi)應(yīng)力可理解為縮孔發(fā)生的機(jī)理。另外,假定此處的應(yīng)力,在鑄鐵砝碼內(nèi)部根本不擴(kuò)展多少,是不發(fā)生縮孔時(shí)的拉伸應(yīng)力。直至凝固結(jié)束時(shí),適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行幾次凝固過(guò)程中的應(yīng)力計(jì)算,據(jù)此,本研究探討了凝固中發(fā)生縮孔有沒(méi)有超過(guò)臨界值(下文稱(chēng)為發(fā)生縮孔臨界應(yīng)力)的情況,如果存在超過(guò)縮孔臨界應(yīng)力的部位,則可預(yù)測(cè)該處發(fā)生縮孔。
不發(fā)生縮孔時(shí),凝固中的應(yīng)力不會(huì)有超過(guò)縮孔發(fā)生臨界應(yīng)力的情況。另外,縮孔發(fā)生的臨界應(yīng)力隨著鑄型強(qiáng)度不同而有差異,濕型為30～40MPa,呋喃鑄型為80MPa左右。呋喃鑄型之所以臨界應(yīng)力值高,是由于應(yīng)力解析中沒(méi)有考慮該鑄型。像呋喃鑄型那樣,如果鑄鐵砝碼的束縛力大,則可抑制向鑄鐵砝碼外側(cè)的膨脹,推測(cè)會(huì)增大收縮鑄鐵砝碼內(nèi)部方向的膨脹。
呋喃鑄型的縮孔發(fā)生臨界應(yīng)力之所以為80MPa,是因?yàn)檫秽T型中自由變形時(shí),凝固中鑄鐵砝碼內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力能抑制在80MPa以下,不會(huì)形成縮孔。鑄造CMC中,采用球墨鑄鐵縮孔預(yù)測(cè)最重要的是能設(shè)計(jì)無(wú)縮孔的鑄造工藝方案。因此,必須能預(yù)測(cè)鑄造工藝方案改變時(shí)的效果。在這里,雖然簡(jiǎn)便,但是,要經(jīng)常調(diào)查全部產(chǎn)品內(nèi)部的液相區(qū)域是否將冒口內(nèi)部的液相區(qū)域與產(chǎn)品內(nèi)部的液相區(qū)域連接起來(lái)。其間,假設(shè)產(chǎn)品的液相區(qū)的膨脹量為O。
這樣一來(lái),產(chǎn)品各部分的體積變化,就等同熔融金屬補(bǔ)給切斷后的變化,因而作用于發(fā)熱點(diǎn)中的應(yīng)力減小。在凝固結(jié)束前,如能使冒口發(fā)揮作用,則按應(yīng)力持續(xù)為O那樣直到凝固。不過(guò),那樣做并無(wú)必要,只設(shè)計(jì)最低限度的冒口,以便將縮孔的發(fā)生控制在臨界值以下就可以了。在這樣的發(fā)熱點(diǎn)中,希望有適當(dāng)?shù)臅r(shí)間,從冒口處進(jìn)行熔融金屬補(bǔ)給,因而,在設(shè)計(jì)鑄造工藝方案時(shí),其效果就體現(xiàn)在發(fā)熱點(diǎn)的應(yīng)力減少上。2鑄造CMC應(yīng)用實(shí)例這里介紹的全部是球墨鑄鐵件(FCD450),澆注溫度為1400℃。此外,對(duì)于縮孔預(yù)測(cè)結(jié)果,本公司在鑄鐵砝碼發(fā)生縮孔的臨界應(yīng)力35～40MPa以上的區(qū)域都涂上顏色,在鑄造工藝方案中用透視圖表示。因此,上顏色的部分就意味著發(fā)生縮孔,沒(méi)有上顏色的部分就意味著不會(huì)發(fā)生縮孔。
2.1環(huán)狀鑄鐵砝碼球墨鑄鐵件的缺陷
之所以多,原因就在于加工面的縮孔。要避免型芯、設(shè)定的加工余量、簡(jiǎn)單化的部位等成為增加壁厚的因素。如發(fā)生縮孔時(shí),對(duì)曾是熱點(diǎn)的部位進(jìn)行加工,則成為縮孔體現(xiàn)出來(lái)的原因。厚壁部分幾乎都是有理由而設(shè)置的,多數(shù)情形下,厚壁部分有待作某些加工。如要做成鑄造用形狀,則帶有拔模斜度,這就進(jìn)一步加大了壁厚。這種制品是如圖1中所示的40×150mm左右的斷面上的<600mm左右的環(huán)狀。
取加工余量為最低限度時(shí),型芯費(fèi)用將加大,不過(guò),能夠鑄造更接近于產(chǎn)品形狀的鑄鐵砝碼。另一方面,全面加工時(shí),由于填平凹部,而帶有拔模斜度,形成簡(jiǎn)單的環(huán)狀件,但與最終形狀相比體積增大,加工余量變大。這就表示加工中容易出現(xiàn)縮孔時(shí),意味著是加工出現(xiàn)熱點(diǎn)的部位。不過(guò),因?yàn)闊o(wú)型芯,所以,設(shè)計(jì)完美的鑄造工藝方案,如能不發(fā)生縮孔,則成為工序少,產(chǎn)品合格率高的鑄造方案。因此,我們針對(duì)有型芯與無(wú)型芯的情況,實(shí)施了熔融金屬流動(dòng)性解析和凝固解析。至于無(wú)型芯、無(wú)冒口方案,鑄鐵砝碼的內(nèi)應(yīng)力為58.7MPa,預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生縮孔。因此,進(jìn)行了不發(fā)生縮孔的鑄造工藝方案的研究。研究結(jié)果如圖2所示,在2處配置冒口的鑄造方案中,鑄鐵砝碼內(nèi)應(yīng)力為51.0MPa,雖然比無(wú)冒口方案的內(nèi)應(yīng)力降低,可是,預(yù)測(cè)結(jié)果仍不能避免縮孔。從成本方面來(lái)看,由于有合格率的限制,此前不能增加冒口,鑄造試驗(yàn)結(jié)果表明,如圖3所示,依然存在縮孔。
另一方面,在如圖4所示的有型芯鑄造方案中,由于加工余量能夠達(dá)到最低限度,而加工成薄壁件,難以形成縮孔的效果就好,鑄鐵砝碼內(nèi)應(yīng)力為30.3MPa,低于發(fā)生縮孔的臨界應(yīng)力35MPa。也就是說(shuō),預(yù)測(cè)結(jié)果是:不帶冒口都不會(huì)發(fā)生縮孔。該制品作為采用有型芯的鑄造工藝方案的實(shí)例,目前,正在鑄造生產(chǎn)應(yīng)用中,并沒(méi)有發(fā)生縮孔。也有與該制品同樣的斷面形狀,直徑為<700mm左右的制品。當(dāng)然,沒(méi)有型芯的成本上合算的鑄造方案是無(wú)法找到的。在<600mm的產(chǎn)品中,有型芯時(shí),預(yù)測(cè)結(jié)果是:即使無(wú)冒口,也可以鑄造出來(lái)。但是,鑄造<700mm產(chǎn)品時(shí),鑄鐵砝碼內(nèi)應(yīng)力為37.1MPa,至于無(wú)冒口時(shí),則如圖5所示那樣,預(yù)測(cè)結(jié)果是內(nèi)澆口附近發(fā)生縮孔。<700mm的環(huán)狀2噸鑄鐵砝碼的鑄造必須是有型芯,而且是帶有冒口的。在有型芯的條件下研究了帶冒口的效果。如圖6所示,在2處地方,每處配置2個(gè)冒口后,當(dāng)最低應(yīng)力值為36.0MPa時(shí),處在成本范圍內(nèi)取得良好的結(jié)果。另外,該縮孔區(qū)域也極小,目前,正在采用這種鑄造方案進(jìn)行鑄造。
以上是鑄造CMC在2噸大型鑄鐵砝碼上的應(yīng)用的詳細(xì)介紹！
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