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大型铸钢件工艺设计的关键技术（二）

 
楼主  收藏   举报   帖子创建时间:  2009-08-08 11:16 回复：0 关注量：217
 
3.5 工艺补正量
工艺补正量是用于补正由于铸造收缩率选用不当或其它工艺原因造成铸件局部尺寸的偏差。 大型铸件的工艺补正量有时非常重要，结构复杂、尺寸较大，影响因素多，形状和尺寸变化很难把握，补正量的选取往往起到纠正挽救的特殊效果。其设置经验性很强，需要长期摸索和积累。
3.6 分型负数
由于修型和烘干过程中砂型的变形，引起分型面不能严密贴合 , 为了防止浇注时产生跑火，合箱时需在分型面上放上耐火泥条或石棉绳，这样就增加了型膛的高度。为了使铸件尺寸 符合要求 , 在铸模上需减去相应的高度，这个减去的尺寸称为分型负数。分型负数随砂型尺寸增大而增加，其值约为 l-5 毫米。要使铸件的形状和尺寸符合要求，除了要正确设计上述的铸造工艺参数外，还需要有严格的工艺操作规程来保证。例如，砂型紧实度要符合要求，木模要干燥，起模时松模不能过大，修型时不能过分光压，合箱时放入的泥条不要过高等，而铸模的磨损，涂料上得过厚，砂型和泥芯受热膨胀等都会使铸件尺寸变小，铸模的变形和结构松动，也会影响铸件的形状和尺寸。
上面就一些主要铸造工艺参数进行讨论。在选定工艺参数时要注意下面两点：（1）影响铸造工艺参数的因素很多，一定要结合实际来选定，并作必要的修正。（2）各个铸造工艺参数之间是有联系的，要综合考虑，相互配合，不断修正，例如，铸件收缩量的误差，可用机械加工余量来补偿。
工艺参数确定以后，要精确计算铸件的浇注重量，浇注重量对下一步的工艺设计和生产操作有重大影响，是浇、冒口设计，熔炼、浇注的基础数据，最好采用三维软件进行计算。
4 铸件成形的控制
主要包括浇、冒系统，冷铁设计。控制充型过程和凝固过程，在铸造生产过程中起着重要的作用。许多的铸造缺陷都与上述两个过程直接相关，如缩松、缩孔、卷气、冷隔、夹渣等。是铸造工艺的关键技术之一。
4.1 液态金属充型过程控制
液态金属充型过程控制将影响浇注的成败和铸件质量，大型铸件的浇注工艺应满足大流量、快速平稳充型的基本要求。大型铸件的浇注多采用多包多浇道同时浇注，充型过程控制的关键是：（1）严格控制钢液的浇注温度和补浇钢液的温度，（2）协调好各包、各浇口的开启步调时间和顺序，（3）严格控制浇注时间，（4）要设置防止残砂、钢渣、引流砂进入型腔的措施，如防砂帽、溢流口、缓流浇道等。
4.2 铸件的结晶、凝固与收缩控制
对于大型铸钢件，保证铸件凝固顺序和补缩效率，这是控制铸造缺陷，获得优质大型铸钢件的重要条件。需要合理设置冒口的尺寸、数量、位置，考虑到充分补缩的要求，通常需要设置足够的冒口补贴，并配合适当的挂砂冷铁，挂砂冷铁设计时，冷铁布置、挂砂层厚度、挂砂层附着强度等工艺因素对控制凝固顺序，防止缺陷均有重大影响。为提高冒口补缩效果，除尽量采用保温、发热冒口，高校发热覆盖剂外，还需要补浇冒口。对大型铸钢件而言，冒口补浇工艺一方面可以提高冒口补缩效率，另一方面可以解决熔炼能力不足而采用的多炉、多阶段浇注的问题。多炉、多阶段浇注工艺设计时，要充分考虑各炉钢水的出炉时机，控制各炉钢水的出炉温度和化学成分，控制各阶段、各浇包开启时间，控制浇注温度和浇注时间。补浇冒口的钢水的熔炼要求视前阶段冒口高度而定，但要满足快速高温的要求。
4.3 计算机模拟技术
要获得优质铸件，必须控制铸件的凝固过程。铸件凝固是在铸型内的高温状态下进行的，难以直接观察。长期以来，主要凭经验或以实测资料为依据进行控制铸件的凝固过程的工艺设计。大型铸件凝固过程的温度场难以实测，而且实际生产条件也不允许通过实验得出铸件的合理工艺方案后才进行工艺设计和正式生产。因此，通常作法主要是凭经验指导铸件的生产。
随着计算机技术的发展，生产过程的数值模拟技术已应用于铸造过程并取得了成功，具有代表性的工作是基于凝固过程数值模拟的缩松、缩孔预测和冒口优化。计算机模拟凝固过程，可以帮助工程技术人员在计算机上进行模拟计算。通过模拟计算，可在实际铸造前对铸件可能出现的缩孔缩松缺陷及大小、部位和发生的时间进行有效的预测。以不断改进工艺，有效控制凝固过程，达到缩短产品试制周期，降低生产成本，确保铸件质量的目的，使铸造生产由凭经验走向科学理论指导。
铸件充型过程的数值模拟近年来在模型建立、算法实现、计算效率的提高和工程实用化方面取得了一些重要突破，并重点研究了充型流动对凝固进程的影响。建立了铸件充型和凝固过程的流动和传热模型，实现了流速场和温度场的耦合模拟，预示着已经可能利用数值模拟的方法对复杂铸件充型过程进行数值仿真。
5 铸造工艺装备的设计
铸件生产所使用工艺装备的设计。工艺装备包括模样、模板、芯、盒、砂箱、 量具、夹具、样板等。大型铸件一般生产批量小，形状差异大，工装通用性较差，许多工装需要综合考虑、专门设计，如芯铁、冷铁等。冷铁设计通常还要专门设计挂砂工艺及要求。
6 预备热处理技术
大型铸件在浇注冷却过程中，铸件壁厚相差悬殊的不同部位，壁厚尺寸大的同一部位的表面及心部，冷却过程温差很大，会产生很大的热应力，尺寸大，形状复杂的铸件不同部位冷却速度不同，收缩的时间不同，相互之间产生很大的机械应力，型、芯复杂，型、芯对铸件的收缩有较强的阻碍，也造成很大的机械应力，这样，铸件完全冷却后不可避免的在铸件内部产生较大的铸造残余应力。高碳钢、合金钢中的碳、锰、铬等元素的含量增加，可以提高强度，却降低导热性，加大铸件各部位冷却的温度差，因此，高碳钢、合金钢中的铸造残余应力更大。
另外，大型铸件截面厚大，冷却时速度较慢，通常铸态组织晶粒粗大，偏析严重，极大影响力学性能，为了保证后续的后处理，满足设计要求，一般铸件都需在浇注冷却后进行适当的热处理，通常称为预备热处理，预备热处理的目的：一是消除或减少铸造应力，二是改善组织，获得足够的力学性能，如强度、塑韧性等。一般的预备热处理规范有：退火、正火、正火+回火等。
预备热处理的关键技术是装炉时机和升温速度，大型铸件因为工期的要求，往往不能等到冷却到常温再打箱，造成打箱后较高温度情况下快速冷却，使铸件应力增高，需要及时装炉进行热处理；装炉后升温要适宜，此时的升温类似铸件的冷却，不同部位，同一部位的表面及心部，存在温差和膨胀的差异，从而，形成新的应力，这种新的应力称为热处理应力，这种热处理应力与原有铸造应力相互作用、相互影响，极为危险，使铸件发生变形、开裂的机率大为增加，不能升温过快，但从快速生产和节约能源的角度要求，不能升温过慢，需要设计适宜的升温速度。热处理的技术也是极为复杂和精确的，也需要长期的经验积累和丰富的理论知识。
7 后处理技术
铸件在型内应有足够的冷却时间，防止产生变形、裂纹等缺陷，为防止产生过大的铸造应力，可在浇注后，铸件凝固基本凝固完成时，松弛型、芯，使铸件最大限度地自由收缩。
冒口切割是铸件后处理的最重要的环节，绝不能忽视。冒口根部在工艺热节和流通效应的影响下，是整个铸件组织最差、热应力最大的部位。在进行常温气割冒口时，由于割口处温度较高，与周围温差较大，产生一定的热应力，加上本身又存在较大的残余应力，当两种应力的方向正好相同时，应力便会叠加，应力得到进一步加强，如果应力超过合金的强度极限，则产生裂纹。绝大多数的铸件采用热割冒口的工艺，热割冒口可预防裂纹。尤其高碳钢、合金钢中的碳、锰、铬等元素的含量高，导热性差，淬透性高，进行常温气割冒口时，热应力更大，并且很容易发生相变，如果相变则会产生相变应力，产生裂纹的风险更高，必须采用热割冒口的工艺。热割冒口可在铸态冷却过程中进行，到一定温度时（400℃以上，避免弹塑性转变温度区间400℃～600℃），迅速清理冒口部位进行切割，切割后继续冷却，直至打箱清理，再热处理，这种工艺的好处是可以降低能耗，缩短工期，坏处是产生缺陷的风险大。大型件价值很高，应尽量控制风险，最好采取在退火后进行热割冒口的工艺。无论何种工艺都应特别注意热割温度和割后的保温缓冷。
结语
大型铸件的工艺设计是一个复杂的系统过程，需要设计人员具备深厚的理论知识和丰富的实践经验。设计过程中要考虑工艺因素较多，这些因素不是独立的，往往相互作用、相互影响，因此，在设计之初，就要通盘考虑，全面筹划，不能顾此失彼。
大型铸件的工艺设计不可能面面俱到，要有主有次，以铸件制造的难点、重点为基础，制定合理的工艺方案，各个工艺因素相互配合、相互补充。
大型铸件多为重大技术装备的重要零件，对其性能及质量要求严格，大型铸件批量较小，生产过程复杂，工期漫长，价值很高，工艺试验和改进困难，一些在小件中不显眼的因素，在大件中有显著的影响。设计时以稳妥慎重为原则，在没有充分依据和保证的前提下，宜采取保险的工艺方案。
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