山东省铸造协会

 
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大型铸钢件工艺设计的关键技术  (2009/8/8 11:16:08)
标签:     分类:铸造技术
摘要:简要介绍大型铸钢件的铸造工艺设计的铸件的工艺性分析、铸造工艺方案选择、铸造工艺参数的选定、铸件成形的控制、铸件的热处理技术铸造工艺装备的设计、铸件的后处理技术及计算机数值模拟技术等关键技术。
前言
中国铝业股份有限公司山东分公司恒成机械制造厂(以下简称恒成机械制造厂)。具有年产2万吨机械制品的生产能力,专业生产冶炼、水泥、矿山、机床等行业设备和备件;产品有各式回转窑、各式球磨机、各式冷却机等设备;高锰钢、抗磨高铬铸铁、耐磨合金等耐磨件;以及大型铸件、加工件,产品广泛应用于氧化铝、电解铝、冶金、化工、建材、有色金属、矿山等行业。建有国家认证的理化、计量检验实验室,理化检验手段先进齐全。具有机械制品自营进出口权。
近几年有了较大发展,2005年,新建消失模一个白模车间,两条生产线,产能6000吨/年,引入铸造CAE软件。2006年,中国铝业股份有限公司注资数千万元,新建三维数字化设计、大型设备仿真模拟系统和一个大型加工中心。2007年,投资5000万元,进行铸造车间的改造,改造厂房,更换起重设备,增加两部100吨吊车,新建35吨精炼炉。加上原有的两台10吨炉,一台30吨炉,可一次熔炼、浇注钢水120吨,可生产毛重90吨的铸件以及25吨以下的高性能优质铸件(超低碳不锈钢铸件、优质钢锭、优质船用铸件、轧辊、优质机架)等产品。
2007年,恒成机械制造厂生产销售铸件13000吨,其中大型铸件6000吨。
恒成机械制造厂的大型铸件制造具备一定的竞争力,大型铸件多为重大技术装备的支撑件和承载件,对其性能及质量要求严格,铸件往往尺寸较大,形状复杂,截面厚薄悬殊。大型铸件的制造是一个系统工程,过程复杂,工序漫长,技术要求高。在制造过程中,铸造工艺设计是一个极其重要的部分,是大型铸件的制造技术的基础和核心。
铸造工艺设计就是根据铸件的结构特点,结合生产实际,设计出一套既保证质量,又可获得较高经济效益的操作指导文件和质量控制文件,并在执行得到保证的前提下生产出了符合要求的产品。大型铸件铸造工艺设计工艺因素多,运用的设计手段多,一些在小件中不显眼的因素,在大件中有显著的影响。大型铸件批量较小,工艺试验和改进困难,设计者要求有丰富的知识和经验,其设计的过程和内容主要有:铸件的工艺性分析、铸造工艺方案选择、铸造工艺参数的选定、铸件成形的控制、铸件的热处理技术铸造工艺装备的设计、铸件的后处理技术等,是铸造工艺设计的核心,通常意义上的铸造工艺设计的涵义就是这部分。铸造工艺设计是在总结和提高的基础上编制的, 它是获得优质高产铸件的一项技术管理措施。
1 零件的工艺性研究
铸造工艺设计时,首先要仔细地阅读和研究铸件的制造或采购技术条件、质量要求。如探伤要求,表面质量要求,机械性能要求,特殊热处理要求等,其次,要研究零件的结构特点,如质量要求高的表面或主要的加工面,主要的尺寸公差要求等,再次,研究材料化学成分,特别是铸造合金中含碳量,合金元素含量作用和机理。这些对下一步的工艺设计有直接影响。需格外重视,做好零件的工艺性研究,能为工艺设计奠定良好的开端。
1.1 材料的工艺性分析
在大型铸件的制造中,材料的物理性能和机械性能,对工艺参数的选定、浇冒口和冷铁设置、热处理技术、铸件的后处理技术等都有重大影响。深入了解铸造合金中含碳量,合金元素含量对铸态组织形态的影响,对力学性能的影响,了解材料的凝固方式,收缩倾向,冒口补缩效果,了解材料的热导率,热应力倾向等,对工艺设计有重要意义
在砂型条件下,随着合金中碳的质量分数量增加,结晶温度范围扩大。低碳钢为逐层凝固方式,中碳钢为中间凝固方式,高碳钢为体积凝固方式凝固,但改变冷却条件,可以改变结晶温度范围,从而改变合金的凝固方式。由于凝固方式的不同,窄结晶温度范围的合金,容易形成细小的晶粒组织,补缩性好,热烈倾向小;反之,宽结晶温度范围的合金,容易形成粗大的晶粒组织,补缩性差,热烈倾向大。因此,高碳钢的厚大部位,要采取强制冷却工艺缩小结晶温度范围,改善晶粒组织。合金中的碳、锰、铬等元素的含量增加,可以提高强度,提高淬透性,却降低导热性,直接影响铸件各部位冷却、加热的温度差,因此,合金钢较容易造成高的残余应力。工艺上要减少各部位浇注后冷却、热处理加热的温度差。合金在相变时,各种组织组成相的比体积不同,会产生相变应力,其中,马氏体的比体积最大,马氏体相变最容易产生较大的相变应力。碳、锰、铬等淬透性元素含量高的合金钢,冷割冒口时极易产生裂纹,原因就是导热性差热应力大,产生马氏体转变导致相变应力大,必须热割冒口,
1.2 铸件结构的工艺性分析
对于需要铸造的零件,必须检查它的结构是否符合铸造工艺的基本要求。因为有时对铸件的结构,作很小的改动,并不影响铸件的使用性能, 但却大大地简化了铸造工艺,有利于提高铸件质量。在铸造生产中 , 对铸件结构的基本要求有以下几点:铸件的壁厚应大于铸件允许的最小壁厚,以免产生浇不足等缺陷。铸件的尺寸越大,合金液充满铸型也就越困难 ,铸件允许的最小壁厚也应越大。铸件的壁厚应尽可能地均匀,否则铸件容易产生缩孔和裂纹。壁厚相差悬殊 , 在厚的部分容易形成缩孔,在厚薄交接处 容易形成裂纹。尽量避免铸件上部 ( 指铸件在浇注位置 ) 有较大的水平面,最好带有合理的斜度,以有利于气体和熔渣等的排出,减少形成气孔和渣眼的可能。铸件的结构应保证泥芯能牢固地安置在铸型里。铸件的结构应使造型时减少分型面和砂芯,简化造型操作,有利于后处理。
2 工艺方案的确定
在选定铸造工艺方案时必须考虑铸造车间的具体条件,如铸造设备运转情况、生产能力铸件的结构和尺寸、技术要求以及生产数量等。下面就铸造工艺方案选择的主要原则进行初步讨论。
2.1 浇注位置的选择
铸件浇注位置的选择, 对铸件质量、造型方法、砂箱尺寸、机械加工余量等都有着很大的影响。在选定浇注位置时应以保证铸件质量为主,一般应注意下面的几个原则:应将铸件上质量要求高的表面或主要的加工面,放在铸型的下面。或者置于铸型的侧面或倾斜放置进行浇注。应把截面较厚的部分放在铸型的上部或侧面。这样便于在铸件的厚壁处放置冒口,造成良好的顺序凝固,有利于铸件补缩。薄壁部分放在铸型的下部,或者置于铸型的侧面立着或倾斜着浇注,这样有利于金属的充填。对于具有大平面的铸件,应将铸件的大平面放在铸型的下面,这样可使铸件的大平面不容易产生夹砂等缺陷。对于带有泥芯的铸件,应使泥芯能放置牢固并在合箱时便于检验。长、宽、高三个方向高度方向尺寸应最小,减少偏析和跑火机率,有利于补缩。
1.3铸型分型、分模面的选择
铸型分型面、分模面选择得正确,可以简化造型操作,提高劳动生产率,使铸件尺寸准确 , 减少废品等。在选择时,一般应注意下面几点:尽量把铸件的大部分或全部放在同一铸型内,从而减少因错箱造成的尺寸偏差,还可使高度减低,便于合箱。应使铸件的加工面及加工基准面,放在同一个铸型内。由于加工面与加工基准面都处在同一个型内,当铸件的加工面很多,又不可能都与基准面放在分型面的同一侧时,则应尽量使加工的基准面与大部分的加工面放在分型面同一侧。从而减少因错箱造成的加工余量不够。应使铸模容易从铸型中取出,并尽量减少活块模、高大的吊砂和弯曲的分型面等。尽量减少泥芯的数量。这样可以省去制造和安放泥芯的工作,也可减少由此造成的误差及产生的披缝,降低铸件的制造成本。铸件的不加工表面应尽量避免有披缝,提高铸件的外观质量。
3.工艺参数的设计
铸造生产的工艺方案决定以后 , 还应根据产品零件图的形状、尺寸和技术要求 , 选定好各种铸造工艺参数。铸造工艺参数是由金属种类和铸造方法等的特点决定的。其内容主要包括铸造收缩率、机械加工余量、拔模斜度、铸造圆角和芯头尺寸等,还有工艺补正量和分型负数等。选择铸造工艺参数时必须根据实际的生产情况,灵活运用。
3.1铸造收缩率
对于铸钢件在铸型内凝固和冷却过程中收缩和变形规律的掌握,是保证获得铸件基本外形轮廓和尺寸精度的关键技术。影响铸件收缩率的因素较多,主要的有:铸型的退让性,铸件的材料,铸件的结构。铸型的退让性好,铸件的收缩率增大。随着铸件的尺寸增大,铸型的退让性变差,铸件的收缩率也就减小。铸件的结构复杂,收缩困难,铸件的收缩率减小。铸件的材料的不同,收缩率不同。同一成分浇注的铸钢件,因结构形状不同,收缩率不同,同一个铸件,由于结构上的原因,其轴向与径向或长、宽、高三个方向的收缩率可能不一致。对于尺寸要求较精确的铸件,各个方向应给以不同的收缩率。其中以自由收缩时的收缩率最大。所以铸造收缩率要结合实际情况来选择。
在实际生产中,一般的铸件,特别是尺寸不大的铸件,各个方向都用同一的收缩率,尽管这样会造成一些误差,但由于误差一般不大,而这样大大便于铸模的加工制造。
3.2 机械加工余量
加工余量是参照机械加工余量表和结合生产实际情况而确定的。加工余量应当合理地选定。加工余量过大,不仅浪费金属,增加机械加工工作量 , 有时还会因截面变厚,热节变大,使铸件晶粒粗大, 甚至造成缩孔或缩松。加工余量过小,不能把铸件的 加工表面全部切净,使零件达不到要求的精度和光洁度。
加工余量的大小与铸造金属的种类、生产条件以及铸件尺寸和加工面部位等有关。铸件的尺寸大,变形往往也大,加工余量需要大一些,铸件上面 ( 指浇注时位置 ) 与底面和侧面相比,表面质量较差,加工余量也需要大一些。小的孔槽一般不宜铸出。否则,不但使造型工艺复杂,而且会因孔槽的偏斜 , 给机械加工带来困难。
3.3 拔模斜度
拔模斜度取法有三种:增加壁厚法、加减壁厚法、减少壁厚法。拔模斜度选取时不应超出铸件的壁厚公差要求。由于大件的起模往往需要借助机械装置,设置不当时,过小容易损坏工装或型芯,过大影响铸件形状结构或加工余量。为了方便芯盒起模, 要把铸模的垂直壁做成向起模面扩大的斜度,需要与配合的型芯一致,拔模斜度过大最好做成劈模,避免过大的拔模斜度。铸件要加工的侧面,一般按增加铸件壁厚的方法确定。铸模在起模方向如已有足够的结构斜度,便不再加拔模斜度。金属模的拔模斜度可比木模稍小些。
3.4 铸造圆角
铸造圆角是不可忽视的工艺因素,因尖角砂在浇注时容易造成冲砂、砂眼和粘砂等缺陷,而且转角没有圆角过渡的铸件会因容易产生较大的铸造应力而裂开。没有圆角过渡的铸件的强度也较低,因尖锐的棱角部分在结晶时会形成强度较低的薄弱面,因这时薄弱面是垂直于受力方向的,当铸件受力时,很容易从薄弱面处裂断。铸件如果做有圆角,就改善了这种情况。
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