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大型铸钢件工艺设计的关键技术

 
楼主  收藏   举报   帖子创建时间:  2009-08-08 11:16 回复：0 关注量：329
 
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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