有关特殊铸造工艺筋设计与研究

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  摘要:应用铸造有关理论和系统知识生产铸件的技术和方法,包括造型材料制备、造型、制芯、金属熔炼、浇注和凝固控制等,铸造是将通过熔炼的金属液体浇注入铸型内,经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程,铸造是常用的制造方法。本文重点就特殊铸造工艺筋设计做了研讨和分析。
  关键词:特殊铸造工艺;典型铸件;特殊铸造
  随着工业技术的发展,铸大型铸件的质量直接影响着产品的质量,因此,铸造在机械制造业中占有重要的地位。铸造技术的发展也很迅速,特别是19世纪末和20世纪上半叶,出现了很多的新的铸造方法,如低压铸造、陶瓷铸造、连续铸造等,在20世纪下半叶得到完善和实用化。由于现今对铸造质量、铸造精度、铸造成本和铸造自动化等要求的提高,铸造技术向着精密化、大型化、高质量、自动化和清洁化的方向发展,例如我国这几年在精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化和铸造成型模擬技术等方面发展迅速。
  一、特种铸造工艺概述
  特种铸造工艺有离心铸造,低压铸造,差压铸造,增压铸造,石膏型铸造,陶瓷型铸造等方式。压力铸造是指金属液在其他外力(不含重力)的作用下注入铸型的工艺。广义的压力铸造包括压铸机的压力铸造和真空铸造、低压铸造、离心铸造等;窄义的压力铸造专指压铸机的金属型压力铸造,简称压铸。金属型铸造是用金属(耐热合金钢,球墨铸铁,耐热铸铁等)制作的铸造用中空铸型模具的现代工艺。金属型既可采用重力铸造,也可采用压力铸造。金属型的铸型模具能反复多次使用,每浇注一次金属液,就获得一次铸件,寿命很长,生产效率很高。金属型的铸件不但尺寸精度好,表面光洁,而且在浇注相同金属液的情况下,其铸件强度要比砂型的更高,更不容易损坏。压铸是在压铸机上进行的金属型压力铸造,是目前生产效率最高的铸造工艺。压铸机分为热室压铸机和冷室压铸机两类。热室压铸机自动化程度高,材料损耗少,生产效率比冷室压铸机更高,但受机件耐热能力的制约,目前还只能用于锌合金、镁合金等低熔点材料的铸件生产。当今广泛使用的铝合金压铸件,由于熔点较高,只能在冷室压铸机上生产。
  二、特殊铸造工艺筋的设计
  (一)排渣铸造工艺筋的设计
  以不锈钢阀体铸造工艺为例,该铸件重量约60kg,主要壁厚8mm左右。因其用于强腐蚀介质环境中,该阀体选用1Cr18Ni9Ti材质。在使用时要求该铸件能承受2.5MPa以下的压力而无渗漏,所以在制定铸造工艺时必须考虑铸件组织的致密性。考虑到不锈钢的体收缩较大,虽然该铸件壁厚不大。但必须有较好的补缩措施,以避免出现缩孔或缩松现象。为此,该铸件采用横做立浇的铸造工艺。为了保证铸件组织的致密性,除必要的冒口补缩外,还必须将铸型中的杂物能有效去除,所以在铸型的底部设置集杂包以保证铸件钢液的纯洁。但在铸件清理后发现在两边凸出的尺寸约为5mm的法兰高点有少量的浮渣,严重影响铸件的质量,虽然在铸件焊补后可以使用,但这是明显的铸造缺陷。分析认为,出现浮渣的原因在于在法兰钢液熔渣不能有效漂浮到冒口中,若设置排渣通道则可解决该问题。在该工艺筋设置后的铸件则有效解决了浮渣现象,保证了铸件质量。
  (二)防裂纹铸造工艺筋的设计
  以原刹车转子精密铸件为例,重量约43kg,材质20CrMnMo。该件上、中、下三层板由8处均布的宽度为6mm的筋板连接,并在中、下两层板间再均布8处宽度为6mm的筋板。在铸造过程中发现,该铸件上、中、下三层的6mm连接筋板有轻微变形,特别是在渗碳淬火热处理后,连接筋板的变形会进一步加大并导致铸件报废。分析认为,产生变形的主要原因在于该连接筋板刚度不足。为了解决刚度不足导致的筋板变形,将加大筋板厚度为8mm,并试生产,则筋板变形问题得以解决。但在生产中又发现新问题,在中、下两层板连接筋板处出现8处热裂纹。分析认为连接筋板加大为8mm后,与下层平板6mm厚度产生差别,且连接筋板在铸件内部,冷却速度低于下层筋板。下层筋板冷却凝固后连接筋板对其产生拉应力。当拉应力大于其高温强度时而产生热裂纹8处连接部位均有裂纹,从裂纹断口形态已经确定为热裂。针对该问题,若在下层平板上加设工艺凸缘以增大其厚度,尽可能地使下层平板与连接筋板达到同时凝固,从而避免热应力的产生。在增设工艺凸缘后,下层平板局部厚度达到9mm,与连接筋板厚度基本相当。从而实现连接筋板和下层平板达到同时凝固的目的,也就解决了裂纹的铸造缺陷。
  (三)补缩工艺筋的设计
  以弹簧盖精铸件的铸造工艺为例,该铸件材ZG230-450,重量约为34Kg,筒形结构部分壁厚为10mm,在制定铸造工艺时必须考虑冒口补缩。为此,在顶部设计一腰圆冒口,但在底部厚度26mm有4处局部热节,因顶部冒口无法补缩,在铸件钻孔加工时出现缩松现象。解决的常用方法是应用冒口补缩法、冷铁法、铸件加补贴法等,但对本铸件显然不宜采用。因为是精密铸造,冷铁不能使用;采用冒口法,可用暗冒口解决。但因为是精密铸造。给制造熔模和后续工序带来很多不便,此法亦不宜采用。若用铸件加补贴法,势必增加铸件壁厚并可能改变铸件结构,给机械加工带来诸多不便,所以采用铸件加补贴法也不宜采用。根据铸件补缩的基本原理,能在此处建立一个补缩通道使顶部的冒口有效补缩该部位,可基本解决缩孔或缩松问题。经过综合考虑并计算设置4个直径35mm的圆形补缩工艺筋。在补缩工艺筋设置后,基本消除了底脚的缩松现象,4个工艺筋在机械加工时予以切除。
  三、结束语
  对于特殊结构的某些铸件,常规的铸造工艺措施往往不能完全解决某些铸造缺陷。基于铸造工艺筋的应用研究表明,不同的铸造工艺筋可简化铸造工艺,使得某些常规铸造工艺不能解决的铸造缺陷问题很容易得到解决。所以,对于某些典型结构铸件,可以针对出现的缺陷采取针对性的工艺措施,而特殊工艺筋的使用对防止某些铸造缺陷,提高铸件质量有事半功倍的作用。
  参考文献:
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