鑄造CMC在2噸大型鑄鐵砝碼上的應用 說(shuō)明：

1縮孔預測方法

該程序在計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澆,一邊計算凝固中的2噸鑄鐵砝碼內應力。在此,所謂鑄鐵砝碼內應力是由于凝固過(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力。也就是說(shuō),凝固速度快的部位(鑄鐵砝碼的外側)膨脹時(shí),應力要擴展到凝固延遲部位(發(fā)熱點(diǎn)即局部過(guò)熱)。

而在鑄鐵砝碼中,上述內應力可理解為縮孔發(fā)生的機理。另外,假定此處的應力,在鑄鐵砝碼內部根本不擴展多少,是不發(fā)生縮孔時(shí)的拉伸應力。直至凝固結束時(shí),適當地進(jìn)行幾次凝固過(guò)程中的應力計算,據此,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)生縮孔臨界應力)的情況,如果存在超過(guò)縮孔臨界應力的部位,則可預測該處發(fā)生縮孔。

不發(fā)生縮孔時(shí),凝固中的應力不會(huì )有超過(guò)縮孔發(fā)生臨界應力的情況。另外,縮孔發(fā)生的臨界應力隨著(zhù)鑄型強度不同而有差異,濕型為30～40MPa,呋喃鑄型為80MPa左右。呋喃鑄型之所以臨界應力值高,是由于應力解析中沒(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的膨脹,推測會(huì )增大收縮鑄鐵砝碼內部方向的膨脹。

呋喃鑄型的縮孔發(fā)生臨界應力之所以為80MPa,是因為呋喃鑄型中自由變形時(shí),凝固中鑄鐵砝碼內部產(chǎn)生的應力能抑制在80MPa以下,不會(huì )形成縮孔。鑄造CMC中,采用球墨鑄鐵縮孔預測最重要的是能設計無(wú)縮孔的鑄造工藝方案。因此,必須能預測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)常調查全部產(chǎn)品內部的液相區域是否將冒口內部的液相區域與產(chǎn)品內部的液相區域連接起來(lái)。其間,假設產(chǎn)品的液相區的膨脹量為O。

這樣一來(lái),產(chǎn)品各部分的體積變化,就等同熔融金屬補給切斷后的變化,因而作用于發(fā)熱點(diǎn)中的應力減小。在凝固結束前,如能使冒口發(fā)揮作用,則按應力持續為O那樣直到凝固。不過(guò),那樣做并無(wú)必要,只設計最低限度的冒口,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,希望有適當的時(shí)間,從冒口處進(jìn)行熔融金屬補給,因而,在設計鑄造工藝方案時(shí),其效果就體現在發(fā)熱點(diǎn)的應力減少上。2鑄造CMC應用實(shí)例這里介紹的全部是球墨鑄鐵件(FCD450),澆注溫度為1400℃。此外,對于縮孔預測結果,本公司在鑄鐵砝碼發(fā)生縮孔的臨界應力35～40MPa以上的區域都涂上顏色,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(zhù)發(fā)生縮孔,沒(méi)有上顏色的部分就意味著(zhù)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),對曾是熱點(diǎn)的部位進(jìn)行加工,則成為縮孔體現出來(lái)的原因。厚壁部分幾乎都是有理由而設置的,多數情形下,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縮孔時(shí),意味著(zhù)是加工出現熱點(diǎn)的部位。不過(guò),因為無(wú)型芯,所以,設計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,鑄鐵砝碼的內應力為58.7MPa,預測會(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。研究結果如圖2所示,在2處配置冒口的鑄造方案中,鑄鐵砝碼內應力為51.0MPa,雖然比無(wú)冒口方案的內應力降低,可是,預測結果仍不能避免縮孔。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,鑄造試驗結果表明,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,鑄鐵砝碼內應力為30.3MPa,低于發(fā)生縮孔的臨界應力35MPa。也就是說(shuō),預測結果是: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),預測結果是:即使無(wú)冒口,也可以鑄造出來(lái)。但是,鑄造<700mm產(chǎn)品時(shí),鑄鐵砝碼內應力為37.1MPa,至于無(wú)冒口時(shí),則如圖5所示那樣,預測結果是內澆口附近發(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,當最低應力值為36.0MPa時(shí),處在成本范圍內取得良好的結果。另外,該縮孔區域也極小,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用的詳細介紹！