鑄造CMC在2噸大型鑄鐵砝碼上的應用 說明：

1縮孔預測方法

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噸鑄鐵砝碼內應力。在此,所謂鑄鐵砝碼內應力是由于凝固過程中的膨脹、收縮部位有差異而產生凝固延遲部位的作用應力。也就是說,凝固速度快的部位(鑄鐵砝碼的外側)膨脹時,應力要擴展到凝固延遲部位(發熱點即局部過熱)。

而在鑄鐵砝碼中,上述內應力可理解為縮孔發生的機理。另外,假定此處的應力,在鑄鐵砝碼內部根本不擴展多少,是不發生縮孔時的拉伸應力。直至凝固結束時,適當地進行幾次凝固過程中的應力計算,據此,本研究探討了凝固中發生縮孔有沒有超過臨界值(下文稱為發生縮孔臨界應力)的情況,如果存在超過縮孔臨界應力的部位,則可預測該處發生縮孔。

不發生縮孔時,凝固中的應力不會有超過縮孔發生臨界應力的情況。另外,縮孔發生的臨界應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力值高,是由于應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的膨脹,推測會增大收縮鑄鐵砝碼內部方向的膨脹。

呋喃鑄型的縮孔發生臨界應力之所以為80MPa,是因為呋喃鑄型中自由變形時,凝固中鑄鐵砝碼內部產生的應力能抑制在80MPa以下,不會形成縮孔。鑄造CMC中,采用球墨鑄鐵縮孔預測最重要的是能設計無縮孔的鑄造工藝方案。因此,必須能預測鑄造工藝方案改變時的效果。在這里,雖然簡便,但是,要經常調查全部產品內部的液相區域是否將冒口內部的液相區域與產品內部的液相區域連接起來。其間,假設產品的液相區的膨脹量為O。

這樣一來,產品各部分的體積變化,就等同熔融金屬補給切斷后的變化,因而作用于發熱點中的應力減小。在凝固結束前,如能使冒口發揮作用,則按應力持續為O那樣直到凝固。不過,那樣做并無必要,只設計最低限度的冒口,以便將縮孔的發生控制在臨界值以下就可以了。在這樣的發熱點中,希望有適當的時間,從冒口處進行熔融金屬補給,因而,在設計鑄造工藝方案時,其效果就體現在發熱點的應力減少上。2鑄造CMC應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,對于縮孔預測結果,本公司在鑄鐵砝碼發生縮孔的臨界應力35～40MPa以上的區域都涂上顏色,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生縮孔,沒有上顏色的部分就意味著不會發生縮孔。

2.1環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、設定的加工余量、簡單化的部位等成為增加壁厚的因素。如發生縮孔時,對曾是熱點的部位進行加工,則成為縮孔體現出來的原因。厚壁部分幾乎都是有理由而設置的,多數情形下,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縮孔時,意味著是加工出現熱點的部位。不過,因為無型芯,所以,設計完美的鑄造工藝方案,如能不發生縮孔,則成為工序少,產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,鑄鐵砝碼的內應力為58.7MPa,預測會發生縮孔。因此,進行了不發生縮孔的鑄造工藝方案的研究。研究結果如圖2所示,在2處配置冒口的鑄造方案中,鑄鐵砝碼內應力為51.0MPa,雖然比無冒口方案的內應力降低,可是,預測結果仍不能避免縮孔。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,鑄鐵砝碼內應力為30.3MPa,低于發生縮孔的臨界應力35MPa。也就是說,預測結果是:不帶冒口都不會發生縮孔。該制品作為采用有型芯的鑄造工藝方案的實例,目前,正在鑄造生產應用中,并沒有發生縮孔。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的產品中,有型芯時,預測結果是:即使無冒口,也可以鑄造出來。但是,鑄造<700mm產品時,鑄鐵砝碼內應力為37.1MPa,至于無冒口時,則如圖5所示那樣,預測結果是內澆口附近發生縮孔。<700mm的環狀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,當最低應力值為36.0MPa時,處在成本范圍內取得良好的結果。另外,該縮孔區域也極小,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用的詳細介紹！