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球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计分析

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摘要:缩松是影响球墨铸铁轴承盖质量的重要因素。在轴承盖工艺设计阶段,借助数值模拟软件对工艺进行了分析,并预测了铸件产生缩松缺陷的分布及严重度,为后续调整工艺提供了参考,从而提高了工艺可行性并缩短了验证周期。

关键词:球墨铸铁;轴承盖;缩松;数值模拟

轴承盖是柴油机的重要部件,半圆弧面安装轴瓦,两侧的贯穿螺栓孔通过螺栓与机体联接,主要承受爆发压力和往复惯性力作用,质量要求非常严格。

1铸件简介

某种柴油机轴承盖轮廓尺寸527mm×302mm×118mm,中间最小壁厚25mm,毛坯重量110kg,材质QT400-15,要求抗拉强度≥400MPa,屈服强度≥250MPa,伸长率≥15%,本体硬度135~185HBW。关键部位必须做无损检测,不允许有任何铸造缺陷。

2工艺设计及模拟分析

根据公司现有条件,采用碱性酚醛树脂砂工艺造型,并借用了现有砂箱,一箱2件生产。铸件水平放置、中间分型,采用了开放式浇注系统,保证了浇注过程中铁液充型平稳,避免形成因铁液飞溅、裹气带来的氧化夹渣和气孔等缺陷。贯穿螺栓孔直径40mm,鉴于细长砂芯极易变形,加工时容易局部缺料,工艺设计时决定贯穿螺栓孔不铸出,而是后续加工形成。铸件结构如图1所示。图1铸件结构浇注温度高时,铁液流动性好,有利于夹渣上浮,补缩效果好,但温度太高也会增大液体收缩量,反而容易形成缩松、缩孔,因此为了平衡产生缩松、夹渣的风险,浇注温度定为1340~1350℃。为避免残余应力,减少组织内珠光体含量,从而获得良好的韧性,浇注完成后型内冷却时间不小于48h,自然时效,不需要去应力退火。球墨铸铁具有糊状凝固特性。由于这种糊状凝固特性以及凝固时间较长,造成凝固时球墨铸铁件的外壳长期处于较软状态,在石墨化膨胀力作用下外壳二次膨胀,松弛了内部压力,容易在铸件热节处形成缩松甚至缩孔,使铸件的致密性下降[1]。因此,在工艺设计时我们重点关注了缩松问题。经分析,我们设计了两种工艺方案(见图2),并利用MAGMA软件进行了工艺模拟分析预测,如图3所示。方案1:上下全冷铁工艺,利用冷铁的激冷效果改变铸件的温度场,并利用石墨膨胀自补缩能力解决缩松缺陷。方案2:底面冷铁+顶面保温冒口工艺,主要利用冒口的补缩能力解决铸件可能产生的缩松问题。从图3铸件热节分布中可以看出:方案1中热节处于轴承盖心部,呈水平U形分布;方案2中热节处于轴承盖顶部,呈垂直倾斜的锥形。铸件潜在缩松风险分布情况如图4所示。a)方案1潜在缩陷b)方案2潜在缩陷图4缩松风险分布及严重度从图4可以看出,方案1中轴承盖非加工曲面处存在潜在缩松风险,预测缺陷严重度为8.9%~12%;方案2中冒口颈与铸件连接处存在潜在缩松风险,预测缺陷严重度高达11%~58%,而且出气孔根部也存在潜在缩陷风险。从模拟分析结果来看,方案1中的缩松主要分布在轴承盖非加工面底部,基本处于铸件心部。本工艺中冷铁布置改变了温度场,石墨化膨胀发挥了作用,起到了自补缩效果;方案2中的缩松主要分布在保温冒口根部,即冒口颈与铸件相连部位,且缩松倾向严重,可能是冒口尺寸设计不合理,如冒口偏小,会使冒口中的铁液先于铸件热节凝固,起不到补缩作用,反而从热节倒抽铁液;冒口高度偏小则压力不足,没有足够的动力将铁液送入铸件,都会引起铸件缩松[2]。随后我们改进了保温冒口尺寸并进行了模拟分析,保温冒口尺寸由φ100mm×130mm改为φ120mm×170mm,同时冒口颈由原先的自硬砂制芯改为与保温冒口配套的标准易割片。模拟结果(见图5、图6)显示冒口加大后,冒口的补缩作用显著,将热节转移到了冒口内部,铸件内部没有缩松。

3生产验证

按照全冷铁工艺和改进后的保温冒口工艺各生产了两箱(见图7),并进行了解剖验证,两种工艺生产的毛坯全部合格。解剖后铸件内部组织很致密,如图8、图9所示。全冷铁工艺生产的铸件心部没有发现缩松,顶部保温冒口+底部冷铁工艺生产的铸件心部及冒口根部也都没有缩松。两种工艺生产的铸件毛坯都合格,但考虑到工艺出品率,最后选用了全冷铁工艺组织生产,到目前为止共生产了20件轴承盖铸件,毛坯全部合格。加工了10件,贯穿螺栓孔、侧拉螺栓孔及润滑油孔内均无缩松,无损检测满足要求。

4结束语

1)厚大中型球墨铸铁铸件可以利用石墨膨胀化的自补缩能力消除缩松,从而实现无冒口铸造。2)数值模拟分析在工艺设计阶段起到了至关重要的作用,可以提高工艺可行性,缩短验证周期,降低生产验证成本。

参考文献:

[1]杨文胜.280柴油机主轴承盖铸造工艺改进[J].机车车辆工艺,2013(5):13-14.

[2]周亘.球墨铸铁件冒口补缩失败原因分析[J].现代铸铁,2004(4):7-14.

作者:毕海香 李继超 杨恒远 于建忠 单位:潍柴重机股份有限公司山东潍坊 潍柴动力股份有限公司

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