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鑄造CMC在2噸大型鑄鐵砝碼上的應(yīng)用 說明：
1縮孔預(yù)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,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(nèi)應(yīng)力。在此,所謂鑄鐵砝碼內(nèi)應(yīng)力是由于凝固過程中的膨脹、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,凝固速度快的部位(鑄鐵砝碼的外側(cè))膨脹時,應(yīng)力要擴展到凝固延遲部位(發(fā)熱點即局部過熱)。
而在鑄鐵砝碼中,上述內(nèi)應(yīng)力可理解為縮孔發(fā)生的機理。另外,假定此處的應(yīng)力,在鑄鐵砝碼內(nèi)部根本不擴展多少,是不發(fā)生縮孔時的拉伸應(yīng)力。直至凝固結(jié)束時,適當(dāng)?shù)剡M行幾次凝固過程中的應(yīng)力計算,據(jù)此,本研究探討了凝固中發(fā)生縮孔有沒有超過臨界值(下文稱為發(fā)生縮孔臨界應(yīng)力)的情況,如果存在超過縮孔臨界應(yīng)力的部位,則可預(yù)測該處發(fā)生縮孔。
不發(fā)生縮孔時,凝固中的應(yīng)力不會有超過縮孔發(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,推測會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,是因為呋喃鑄型中自由變形時,凝固中鑄鐵砝碼內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力能抑制在80MPa以下,不會形成縮孔。鑄造CMC中,采用球墨鑄鐵縮孔預(yù)測最重要的是能設(shè)計無縮孔的鑄造工藝方案。因此,必須能預(yù)測鑄造工藝方案改變時的效果。在這里,雖然簡便,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。其間,假設(shè)產(chǎn)品的液相區(qū)的膨脹量為O。
這樣一來,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,那樣做并無必要,只設(shè)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)熱點中,希望有適當(dāng)?shù)臅r間,從冒口處進行熔融金屬補給,因而,在設(shè)計鑄造工藝方案時,其效果就體現(xiàn)在發(fā)熱點的應(yīng)力減少上。2鑄造CMC應(yīng)用實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(yù)測結(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,沒有上顏色的部分就意味著不會發(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、簡單化的部位等成為增加壁厚的因素。如發(fā)生縮孔時,對曾是熱點的部位進行加工,則成為縮孔體現(xiàn)出來的原因。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,型芯費用將加大,不過,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,由于填平凹部,而帶有拔模斜度,形成簡單的環(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,意味著是加工出現(xiàn)熱點的部位。不過,因為無型芯,所以,設(shè)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型芯的情況,實施了熔融金屬流動性解析和凝固解析。至于無型芯、無冒口方案,鑄鐵砝碼的內(nèi)應(yīng)力為58.7MPa,預(yù)測會發(fā)生縮孔。因此,進行了不發(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,雖然比無冒口方案的內(nèi)應(yīng)力降低,可是,預(yù)測結(jié)果仍不能避免縮孔。從成本方面來看,由于有合格率的限制,此前不能增加冒口,鑄造試驗結(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,預(yù)測結(jié)果是:不帶冒口都不會發(fā)生縮孔。該制品作為采用有型芯的鑄造工藝方案的實例,目前,正在鑄造生產(chǎn)應(yīng)用中,并沒有發(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,沒有型芯的成本上合算的鑄造方案是無法找到的。在<600mm的產(chǎn)品中,有型芯時,預(yù)測結(jié)果是:即使無冒口,也可以鑄造出來。但是,鑄造<700mm產(chǎn)品時,鑄鐵砝碼內(nèi)應(yīng)力為37.1MPa,至于無冒口時,則如圖5所示那樣,預(yù)測結(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個冒口后,當(dāng)最低應(yīng)力值為36.0MPa時,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)用的詳細介紹！
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