大型鑄鋼件工藝設計的關鍵技術

 
樓主  收藏   舉報   帖子創建時間:  2009-08-08 11:16 回復：0 關注量：329
 
摘要：簡要介紹大型鑄鋼件的鑄造工藝設計的鑄件的工藝性分析、鑄造工藝方案選擇、鑄造工藝參數的選定、鑄件成形的控制、鑄件的熱處理技術、鑄造工藝裝備的設計、鑄件的后處理技術及計算機數值模擬技術等關鍵技術。
前言
中國鋁業股份有限公司山東分公司恒成機械制造廠（以下簡稱恒成機械制造廠）。具有年產2萬噸機械制品的生產能力，專業生產冶煉、水泥、礦山、機床等行業設備和備件；產品有各式回轉窯、各式球磨機、各式冷卻機等設備；高錳鋼、抗磨高鉻鑄鐵、耐磨合金等耐磨件；以及大型鑄件、加工件，產品廣泛應用于氧化鋁、電解鋁、冶金、化工、建材、有色金屬、礦山等行業。建有國家認證的理化、計量檢驗實驗室，理化檢驗手段先進齊全。具有機械制品自營進出口權。
近幾年有了較大發展，2005年，新建消失模一個白模車間，兩條生產線，產能6000噸/年，引入鑄造CAE軟件。2006年，中國鋁業股份有限公司注資數千萬元，新建三維數字化設計、大型設備仿真模擬系統和一個大型加工中心。2007年，投資5000萬元，進行鑄造車間的改造，改造廠房，更換起重設備，增加兩部100噸吊車，新建35噸精煉爐。加上原有的兩臺10噸爐，一臺30噸爐，可一次熔煉、澆注鋼水120噸，可生產毛重90噸的鑄件以及25噸以下的高性能優質鑄件（超低碳不銹鋼鑄件、優質鋼錠、優質船用鑄件、軋輥、優質機架）等產品。
2007年，恒成機械制造廠生產銷售鑄件13000噸，其中大型鑄件6000噸。
恒成機械制造廠的大型鑄件制造具備一定的競爭力，大型鑄件多為重大技術裝備的支撐件和承載件，對其性能及質量要求嚴格，鑄件往往尺寸較大，形狀復雜，截面厚薄懸殊。大型鑄件的制造是一個系統工程，過程復雜，工序漫長，技術要求高。在制造過程中，鑄造工藝設計是一個極其重要的部分，是大型鑄件的制造技術的基礎和核心。
鑄造工藝設計就是根據鑄件的結構特點，結合生產實際，設計出一套既保證質量，又可獲得較高經濟效益的操作指導文件和質量控制文件，并在執行得到保證的前提下生產出了符合要求的產品。大型鑄件鑄造工藝設計工藝因素多，運用的設計手段多，一些在小件中不顯眼的因素，在大件中有顯著的影響。大型鑄件批量較小，工藝試驗和改進困難，設計者要求有豐富的知識和經驗，其設計的過程和內容主要有：鑄件的工藝性分析、鑄造工藝方案選擇、鑄造工藝參數的選定、鑄件成形的控制、鑄件的熱處理技術、鑄造工藝裝備的設計、鑄件的后處理技術等，是鑄造工藝設計的核心，通常意義上的鑄造工藝設計的涵義就是這部分。鑄造工藝設計是在總結和提高的基礎上編制的, 它是獲得優質高產鑄件的一項技術管理措施。
1 零件的工藝性研究
鑄造工藝設計時，首先要仔細地閱讀和研究鑄件的制造或采購技術條件、質量要求。如探傷要求，表面質量要求，機械性能要求，特殊熱處理要求等，其次，要研究零件的結構特點，如質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，研究材料化學成分，特別是鑄造合金中含碳量，合金元素含量作用和機理。這些對下一步的工藝設計有直接影響。需格外重視，做好零件的工藝性研究，能為工藝設計奠定良好的開端。
1.1 材料的工藝性分析
在大型鑄件的制造中，材料的物理性能和機械性能，對工藝參數的選定、澆冒口和冷鐵設置、熱處理技術、鑄件的后處理技術等都有重大影響。深入了解鑄造合金中含碳量，合金元素含量對鑄態組織形態的影響，對力學性能的影響，了解材料的凝固方式，收縮傾向，冒口補縮效果，了解材料的熱導率，熱應力傾向等，對工藝設計有重要意義。
在砂型條件下，隨著合金中碳的質量分數量增加，結晶溫度范圍擴大。低碳鋼為逐層凝固方式，中碳鋼為中間凝固方式，高碳鋼為體積凝固方式凝固，但改變冷卻條件，可以改變結晶溫度范圍，從而改變合金的凝固方式。由于凝固方式的不同，窄結晶溫度范圍的合金，容易形成細小的晶粒組織，補縮性好，熱烈傾向小；反之，寬結晶溫度范圍的合金，容易形成粗大的晶粒組織，補縮性差，熱烈傾向大。因此，高碳鋼的厚大部位，要采取強制冷卻工藝縮小結晶溫度范圍，改善晶粒組織。合金中的碳、錳、鉻等元素的含量增加，可以提高強度，提高淬透性，卻降低導熱性，直接影響鑄件各部位冷卻、加熱的溫度差，因此，合金鋼較容易造成高的殘余應力。工藝上要減少各部位澆注后冷卻、熱處理加熱的溫度差。合金在相變時，各種組織組成相的比體積不同，會產生相變應力，其中，馬氏體的比體積最大，馬氏體相變最容易產生較大的相變應力。碳、錳、鉻等淬透性元素含量高的合金鋼，冷割冒口時極易產生裂紋，原因就是導熱性差熱應力大，產生馬氏體轉變導致相變應力大，必須熱割冒口，
1.2 鑄件結構的工藝性分析
對于需要鑄造的零件，必須檢查它的結構是否符合鑄造工藝的基本要求。因為有時對鑄件的結構，作很小的改動，并不影響鑄件的使用性能, 但卻大大地簡化了鑄造工藝，有利于提高鑄件質量。在鑄造生產中 , 對鑄件結構的基本要求有以下幾點：鑄件的壁厚應大于鑄件允許的最小壁厚，以免產生澆不足等缺陷。鑄件的尺寸越大，合金液充滿鑄型也就越困難 ,鑄件允許的最小壁厚也應越大。鑄件的壁厚應盡可能地均勻，否則鑄件容易產生縮孔和裂紋。壁厚相差懸殊 , 在厚的部分容易形成縮孔，在厚薄交接處 容易形成裂紋。盡量避免鑄件上部 ( 指鑄件在澆注位置 ) 有較大的水平面，最好帶有合理的斜度，以有利于氣體和熔渣等的排出，減少形成氣孔和渣眼的可能。鑄件的結構應保證泥芯能牢固地安置在鑄型里。鑄件的結構應使造型時減少分型面和砂芯，簡化造型操作，有利于后處理。
2 工藝方案的確定
在選定鑄造工藝方案時，必須考慮鑄造車間的具體條件，如鑄造設備運轉情況、生產能力，鑄件的結構和尺寸、技術要求以及生產數量等。下面就鑄造工藝方案選擇的主要原則，進行初步討論。
2.1 澆注位置的選擇
鑄件澆注位置的選擇, 對鑄件質量、造型方法、砂箱尺寸、機械加工余量等都有著很大的影響。在選定澆注位置時應以保證鑄件質量為主，一般應注意下面的幾個原則：應將鑄件上質量要求高的表面或主要的加工面，放在鑄型的下面。或者置于鑄型的側面或傾斜放置進行澆注。應把截面較厚的部分放在鑄型的上部或側面。這樣便于在鑄件的厚壁處放置冒口，造成良好的順序凝固，有利于鑄件補縮。薄壁部分放在鑄型的下部，或者置于鑄型的側面立著或傾斜著澆注，這樣有利于金屬的充填。對于具有大平面的鑄件，應將鑄件的大平面放在鑄型的下面，這樣可使鑄件的大平面不容易產生夾砂等缺陷。對于帶有泥芯的鑄件，應使泥芯能放置牢固并在合箱時便于檢驗。長、寬、高三個方向高度方向尺寸應最小，減少偏析和跑火機率，有利于補縮。
1.3鑄型分型、分模面的選擇
鑄型分型面、分模面選擇得正確，可以簡化造型操作，提高勞動生產率，使鑄件尺寸準確 , 減少廢品等。在選擇時，一般應注意下面幾點：盡量把鑄件的大部分或全部放在同一鑄型內，從而減少因錯箱造成的尺寸偏差，還可使高度減低，便于合箱。應使鑄件的加工面及加工基準面，放在同一個鑄型內。由于加工面與加工基準面都處在同一個型內，當鑄件的加工面很多，又不可能都與基準面放在分型面的同一側時，則應盡量使加工的基準面與大部分的加工面放在分型面同一側。從而減少因錯箱造成的加工余量不夠。應使鑄模容易從鑄型中取出，并盡量減少活塊模、高大的吊砂和彎曲的分型面等。盡量減少泥芯的數量。這樣可以省去制造和安放泥芯的工作，也可減少由此造成的誤差及產生的披縫，降低鑄件的制造成本。鑄件的不加工表面應盡量避免有披縫，提高鑄件的外觀質量。
3.工藝參數的設計
鑄造生產的工藝方案決定以后 , 還應根據產品零件圖的形狀、尺寸和技術要求 , 選定好各種鑄造工藝參數。鑄造工藝參數是由金屬種類和鑄造方法等的特點決定的。其內容主要包括鑄造收縮率、機械加工余量、拔模斜度、鑄造圓角和芯頭尺寸等，還有工藝補正量和分型負數等。選擇鑄造工藝參數時必須根據實際的生產情況，靈活運用。
3.1鑄造收縮率
對于鑄鋼件在鑄型內凝固和冷卻過程中收縮和變形規律的掌握，是保證獲得鑄件基本外形輪廓和尺寸精度的關鍵技術。影響鑄件收縮率的因素較多，主要的有：鑄型的退讓性，鑄件的材料，鑄件的結構。鑄型的退讓性好，鑄件的收縮率增大。隨著鑄件的尺寸增大，鑄型的退讓性變差，鑄件的收縮率也就減小。鑄件的結構復雜，收縮困難，鑄件的收縮率減小。鑄件的材料的不同，收縮率不同。同一成分澆注的鑄鋼件，因結構形狀不同，收縮率不同，同一個鑄件，由于結構上的原因，其軸向與徑向或長、寬、高三個方向的收縮率可能不一致。對于尺寸要求較精確的鑄件，各個方向應給以不同的收縮率。其中以自由收縮時的收縮率最大。所以鑄造收縮率要結合實際情況來選擇。
在實際生產中，一般的鑄件，特別是尺寸不大的鑄件，各個方向都用同一的收縮率，盡管這樣會造成一些誤差，但由于誤差一般不大，而這樣大大便于鑄模的加工制造。
3.2 機械加工余量
加工余量是參照機械加工余量表和結合生產實際情況而確定的。加工余量應當合理地選定。加工余量過大，不僅浪費金屬，增加機械加工工作量 , 有時還會因截面變厚，熱節變大，使鑄件晶粒粗大, 甚至造成縮孔或縮松。加工余量過小，不能把鑄件的 加工表面全部切凈，使零件達不到要求的精度和光潔度。
加工余量的大小與鑄造金屬的種類、生產條件以及鑄件尺寸和加工面部位等有關。鑄件的尺寸大，變形往往也大，加工余量需要大一些，鑄件上面 ( 指澆注時位置 ) 與底面和側面相比，表面質量較差，加工余量也需要大一些。小的孔槽一般不宜鑄出。否則，不但使造型工藝復雜，而且會因孔槽的偏斜 , 給機械加工帶來困難。
3.3 拔模斜度
拔模斜度取法有三種：增加壁厚法、加減壁厚法、減少壁厚法。拔模斜度選取時不應超出鑄件的壁厚公差要求。由于大件的起模往往需要借助機械裝置，設置不當時，過小容易損壞工裝或型芯，過大影響鑄件形狀結構或加工余量。為了方便芯盒起模, 要把鑄模的垂直壁做成向起模面擴大的斜度，需要與配合的型芯一致，拔模斜度過大最好做成劈模，避免過大的拔模斜度。鑄件要加工的側面，一般按增加鑄件壁厚的方法確定。鑄模在起模方向如已有足夠的結構斜度，便不再加拔模斜度。金屬模的拔模斜度可比木模稍小些。
3.4 鑄造圓角
鑄造圓角是不可忽視的工藝因素，因尖角砂在澆注時容易造成沖砂、砂眼和粘砂等缺陷，而且轉角沒有圓角過渡的鑄件會因容易產生較大的鑄造應力而裂開。沒有圓角過渡的鑄件的強度也較低，因尖銳的棱角部分在結晶時會形成強度較低的薄弱面，因這時薄弱面是垂直于受力方向的，當鑄件受力時，很容易從薄弱面處裂斷。鑄件如果做有圓角，就改善了這種情況。