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鑄造工藝學(xué)電子教案(參考版)

2025-04-27 22:47本頁(yè)面
  

【正文】 如果生產(chǎn)條件較好,鑄件形狀簡(jiǎn)單,或鑄件批量大,能克。為了驗(yàn)證冒口頸是否正確,需要進(jìn)行試驗(yàn)。 25℃。 l)要求鑄型強(qiáng)度高。 3)冒口便于去除,花費(fèi)少。 2)冒口位置便于選擇,冒口頸可很長(zhǎng)。 l)鑄件工藝出品率高。澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口的例子見(jiàn)圖3526,澆溫1320℃。經(jīng)驗(yàn)證明:薄小的石墨鑄鐵件中很少發(fā)現(xiàn)縮松,當(dāng)用濕型時(shí)也如此。 圖3524上的澆注溫度應(yīng)代表澆注后型內(nèi)的金屬溫度。 仍用圖3524確定冒口頸(內(nèi)澆道)的模數(shù)。 理論上,所有鑄件都能用澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口,但當(dāng)鑄件較厚時(shí)把冒口和澆口分開(kāi),工藝出品率將提高。 對(duì)于薄壁的鑄鐵件,冒口頸很小,可用澆注系統(tǒng)兼起直接實(shí)用冒口的作用,內(nèi)澆道依冒口頸計(jì)算,超過(guò)鑄件最高點(diǎn)水平面的澆口杯和直澆道部分實(shí)質(zhì)上就是冒口。 冒口頸的位置,可選在最關(guān)鍵部分或更厚的任何部分上。 關(guān)鍵部分的膨脹和比它厚的部分的液態(tài)收縮只有同時(shí)發(fā)生,且是相互關(guān)聯(lián)的,才可能相互抵償。這時(shí)應(yīng)繪制模數(shù)-體積份額圖,這可有助于判定關(guān)鍵部分。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的鑄件,關(guān)鍵模數(shù)容易確定。 (2)冒口頸的計(jì)算原則是:鑄件液態(tài)收縮結(jié)束或共晶膨脹開(kāi)始時(shí)刻,使冒口頸及時(shí)凍結(jié),為計(jì)算簡(jiǎn)便,設(shè)鑄件形體簡(jiǎn)單,只有一個(gè)模數(shù)Ms。了更好地發(fā)揮直接實(shí)用冒口的補(bǔ)縮作用,推薦采用大氣壓力冒口的形式,在冒口頂部放置大氣壓力砂芯或造型時(shí)做出錐頂砂。 冒口體積比鑄件所需補(bǔ)縮的鐵水量要大些。另一方面,隨著冷卻速度加快,會(huì)有大量初生奧氏體析出,從而加大了液態(tài)收縮。 用上面二式得出的鑄鐵液態(tài)收縮率ε液和澆注溫度tp、碳當(dāng)量CE的關(guān)系如圖3523所示。對(duì)于共晶成分的鑄鐵液,從澆注溫度tp冷卻到共晶溫度的體收縮率ε液,可用下式表示 ε液={α液}℃({tp}/℃1150)=(90+30)({tp}/℃-1150)106(3515) 對(duì)于碳當(dāng)量CE=,共晶前設(shè)先析出約30%(體積分?jǐn)?shù))的奧氏體,液態(tài)鐵向奧氏體轉(zhuǎn)變體收縮率為3%,這樣就增加了30%3%=%的體收縮率。為了避免鑄件膨脹壓力超過(guò)鑄型的承壓能力而導(dǎo)致鑄件脹大變形,產(chǎn)生縮松,要求采用干型、自硬型等高強(qiáng)度鑄型。對(duì)灰鑄鐵件。在同樣模數(shù)下:球鐵比灰鑄鐵的膨脹壓力高。 在剛性好的高強(qiáng)度鑄型內(nèi),鑄鐵的共晶膨脹形成內(nèi)壓,迫使液體流向縮孔、縮松形成之處,這樣就可預(yù)防鑄件于凝固期內(nèi)部出現(xiàn)真空度,從而避免了縮孔、縮松缺陷。 (一)直接實(shí)用冒口(包括澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口) 它比通用冒口更實(shí)用。 實(shí)用冒口(applied risering)設(shè)計(jì)法是讓冒口和冒口頸先于鑄件凝固,利用全部或部分的共晶膨脹量在鑄件內(nèi)部建立壓力,實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮,更有利于克服縮松缺陷。可見(jiàn)碳量對(duì)消除球鐵件的縮松比硅的作用強(qiáng)7倍之多。 碳、硅含量對(duì)球鐵件縮松的影響如圖3521所示。相反,大模數(shù)鑄件,Mc≥,凝固時(shí)間長(zhǎng)、降溫慢,對(duì)補(bǔ)縮要求低,創(chuàng)造適當(dāng)工藝條件,甚至可用無(wú)冒口工藝。在砂型鑄造條件下,鑄件冷卻速度主要取決于鑄件模數(shù)。 當(dāng)把該鑄鐵的冷卻速度提高到200℃/min時(shí)(與直徑30mm球試樣的干砂型冷卻條件相當(dāng)),%(體積分?jǐn)?shù))。 (3)鐵液的停留時(shí)間 鐵液停留時(shí)間長(zhǎng),溫度高(超過(guò)1500℃),降低冶金質(zhì)量。新生鐵本身的品質(zhì)優(yōu)或劣,對(duì)收縮、膨脹特性影響很大。設(shè)計(jì)冒口時(shí)要密切注意現(xiàn)場(chǎng)鐵液的冶金質(zhì)量,它可以用試樣的石墨球數(shù)來(lái)評(píng)定:(M=)的Y形試樣上取樣作金相檢查,以1mm2面積上的石墨球數(shù)為準(zhǔn),即當(dāng)球數(shù)150個(gè)/mm2評(píng)為冶金質(zhì)量好,90~150個(gè)/mm2為 “中”,90個(gè)/mm2為差。 而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,每析出1%質(zhì)量的石墨,鑄鐵體積增大約2%。 球鐵凝固期出現(xiàn)的體積膨脹,許多文獻(xiàn)中稱為石墨化膨脹或縮前膨脹,但也有人認(rèn)為不單純是因奧氏體-石墨共晶轉(zhuǎn)變引起的。 2)一次收縮、體積膨脹和二次收縮的大小并非確 定值,而是在很大范圍內(nèi)變化。以球鐵為代表,其凝固過(guò)程可分為:一次收縮(primary contraction)、體積膨脹(volume expansion)和二次收縮(secondry contraction)等三階段(見(jiàn)圖3520)。第三節(jié) 鑄鐵件實(shí)用冒口的設(shè)計(jì) 一、鑄鐵的體收縮 相對(duì)地,模數(shù)法比較科學(xué)??梢灶A(yù)料,隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)管理水平的提高,鑄件的工藝出品率會(huì)逐漸提高的。顯然,采用補(bǔ)縮效率高的冒口類型會(huì)導(dǎo)致高的工藝出品率。應(yīng)用普通冒口時(shí),應(yīng)視不同情況加以調(diào)整。 3. 鑄件工藝出品率的校核經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì),各種鑄鋼件的工藝出品率如表3510所示,可供校核之用。 由于各地區(qū)、各工廠的生產(chǎn)條件不同,所給出的經(jīng)驗(yàn)比例也不完全一致。 冒口直徑D=φ2-(15~20)mm,φ2是輪轂外徑。 d1=(~)dy r的值待d1值確定后,按圖作出。 (1)冒口補(bǔ)貼 按下列經(jīng)驗(yàn)比例關(guān)系確定 d1=(~)dy R1=R件+dy+(1~3)mm R2=(~1)dy δ=5~15mm (2)冒口尺寸 用下述比例關(guān)系計(jì)算: 暗冒口寬 B=(~)dy 明冒口寬 B=(~)dy 冒口長(zhǎng) A=(~)B (3)冒口補(bǔ)縮距離L=4dy,當(dāng)兩冒口之間距離超過(guò)此值時(shí),應(yīng)放冷鐵或設(shè)水平補(bǔ)貼。 現(xiàn)以常見(jiàn)的輪形鑄鋼件(如齒輪、車輪、皮帶輪、摩擦輪和飛輪等)為例,介紹用比例法確定冒口尺寸的方法、步驟(見(jiàn)圖3519)。詳見(jiàn)有關(guān)手冊(cè)。 3. 比例法比例法是在分析、統(tǒng)計(jì)大量工藝資料的基礎(chǔ)上,總結(jié)出的冒口尺寸經(jīng)驗(yàn)確定法。但實(shí)際應(yīng)用中冒口高度都大于其直徑,故安全系數(shù)足夠大,補(bǔ)償了計(jì)算的誤差。 該方法還認(rèn)為:直徑為d0的球體積應(yīng)等于鑄件(被補(bǔ)縮部分)的總體收縮容積。 這樣,當(dāng)冒口高度和直徑相等時(shí),鑄件中最大凝固層厚度為壁厚的一半,依假定①,冒口中凝固層厚度也為鑄件厚度之半,因而,冒口中縮孔球直徑d0等于冒口直徑與鑄件厚度之差,見(jiàn)圖3518。 公式(3510)就是計(jì)算冒口直徑dr的三次方程。 把上述關(guān)系代入(359)中得 dr3-K1Mc dr2-K2Vc=0 (3510) KK2——常數(shù),與冒口形式和合金體收縮ε有關(guān)。例如,對(duì)圓柱形明冒口有: Vr=πBdr2/4,Ar=πdr2/ (B+1/4)。 對(duì)普通冒口;近似地認(rèn)為冒口散熱表面積在補(bǔ)縮過(guò)程中無(wú)變化。這樣的冒口才是最節(jié)約的。 原理 : 補(bǔ)縮時(shí)冒口中的金屬液不斷進(jìn)入鑄件,冒口體積Vr和模數(shù)Mr逐漸減小。分區(qū)計(jì)算模數(shù)如下: 缸底:直徑φ400mm,側(cè)面為非冷卻面,可視為140mm的板件,M=d/2=7cm; 帽狀部分視為板件,厚100mm,M=5cm; 缸體主壁部分:視為厚120mm的板件,M=6cm; 上部平板部分:厚80mm,板件,M=4cm; φ120mm孔的四周部分:視為板件,厚80mm,M=4cm; 熱節(jié):缸體主壁與斜壁相交處,熱節(jié)圓φ180mm,視為厚180mm的當(dāng)量板,M=d/2=9cm。總的來(lái)說(shuō),用上述不同方法計(jì)算出的模數(shù)值相近,皆能滿足工藝設(shè)計(jì)的精度要求。此外還有其他方法。 3)用一倍厚度法求熱節(jié)模數(shù) 如圖3516所示,溫度測(cè)定試驗(yàn)表明,離熱節(jié)處一倍壁厚以外的溫度,基本與壁體的溫度相同。 2)熱節(jié)圓當(dāng)量板(或桿)法設(shè)鑄件平板壁厚為T,凝固時(shí)間為τ,熱節(jié)中心處凝固時(shí)間為τj。復(fù)雜鑄件總是由簡(jiǎn)單幾何體與其相交節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成。5. 校核冒口補(bǔ)縮能力。4. 檢查順序凝固條件,如補(bǔ)縮距離是否足夠,補(bǔ)縮通道 是否暢通。3. 確定冒口形狀和尺寸(應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)系列的冒口尺 寸)。2. 計(jì)算冒口及頸的模數(shù)。在設(shè)計(jì)和校核冒口時(shí),q值大的鑄件應(yīng)選取冒口補(bǔ)縮效率的上限值。在其他條件相同時(shí),q值大則冒口補(bǔ)縮效率高。而大平板件q值非常之大。 鑄件形狀系數(shù)(shape coefficent)q又名周界商,定義為鑄件體積Vc與其模數(shù)Mc3之比值,即 q=Vc/ Mc3 (357) q值使鑄件形狀數(shù)量化,q值的大小表明了鑄件形狀的特征——形狀越接近于簡(jiǎn)單的實(shí)心球體,q值越??;反之,鑄件形狀越接近展開(kāi)的大平板,q值越大。鑄件凸形表面的凝固層增長(zhǎng)速度高于平面和凹形表面。A. 鑄件形狀系數(shù)的影響以Chvorinov公式為基礎(chǔ)的模數(shù)法忽略了鑄件形狀對(duì)凝固時(shí)間的影響,而實(shí)際上,在其他條件(模數(shù)、合金、鑄型等)相同時(shí),球體件凝固時(shí)間最短,圓柱體次之,平板件最長(zhǎng)。 a. 冒口的凝固時(shí)間τr應(yīng)大于等于鑄件被補(bǔ)縮部位的凝固時(shí)間τc。通用冒口的計(jì)算方法很多,現(xiàn)僅介紹幾種常用的冒口計(jì)算方法。 冒口的有效補(bǔ)縮距離為冒口作用區(qū)與末端區(qū)長(zhǎng)度之和,它是確定冒口數(shù)目的依據(jù),與鑄件結(jié)構(gòu)、合金成分及凝固特性、冷卻條件、對(duì)鑄件質(zhì)量要求的高低等多種因素有關(guān),簡(jiǎn)稱為冒口補(bǔ)縮距離 1. 鑄鋼件冒口的補(bǔ)縮距離有色合金的冒口補(bǔ)縮距離外冷鐵的影響補(bǔ)貼(padding)的應(yīng)用第二節(jié) 鑄鋼件冒口的設(shè)計(jì)與計(jì)算 冒口的形狀有圓柱形、球頂圓柱形、長(zhǎng)(腰)圓柱形、球形及扁球形等多種3. 通用冒口補(bǔ)縮原理 1. 基本條件 1. 冒口凝固時(shí)間大于或等于鑄件(被補(bǔ)縮部分)的凝固時(shí)間2. 有足夠的金屬液補(bǔ)充鑄件的液態(tài)收縮和凝固收縮,補(bǔ)償澆注后型腔擴(kuò)大的體積3. 在凝固期間,冒口和被補(bǔ)縮部位之間存在補(bǔ)縮通道,擴(kuò)張角向著冒口2. 選擇冒口位置的原則 1. 冒口應(yīng)就近設(shè)在鑄件熱節(jié)(hotspot)的上方或側(cè)旁2. 冒口應(yīng)盡量設(shè)在鑄件最高、最厚的部位。習(xí)慣上把冒口所鑄成的金屬實(shí)體也稱為冒口。對(duì)于輕合金也可用更廉價(jià)的普通玻璃纖維網(wǎng)。三、耐火纖維編織過(guò)濾網(wǎng) 國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的是高硅氧玻璃纖維網(wǎng),為提高其剛性和耐火度,預(yù)先經(jīng)過(guò)浸涂耐火涂料及烘干處理。 作為流變劑的有: 膨潤(rùn)土、粘土 作為粘結(jié)劑或空氣硬化劑的有: 鋁的正磷酸鹽、鎂正硼酸鹽、氯化鋁的羥基氧化物、硅酸鈉(或鉀)、硅酸乙酯等。陶瓷漿料組成為:陶瓷材料粉,流變劑,粘結(jié)劑或空氣硬化劑及適量水,有的還加入有機(jī)泡沫浸蝕劑、陶瓷纖維,以提高過(guò)濾板的強(qiáng)度。過(guò)濾板四周的壓砂深度大些為好,至少應(yīng)大于3mm,并同砂型緊密接觸,以免金屬液從四周縫隙流過(guò),起不到過(guò)濾作用。一、陶瓷網(wǎng)格過(guò)濾板(cellular ceramic filter) 設(shè)計(jì)帶有過(guò)濾板的澆注系統(tǒng)時(shí),應(yīng)考慮:過(guò)濾板容易安放在砂型中,使金屬液全部穿過(guò)過(guò)濾板而進(jìn)入型腔,過(guò)濾板盡量靠近型腔,澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)宜簡(jiǎn)化,過(guò)濾板可以水平、傾斜或垂直放置。(6)不污染金屬,不發(fā)氣。(4)有足夠的金屬液通過(guò)速度。(2)能濾去金屬液中盡可能小的微觀雜質(zhì),使金屬液凈化。市場(chǎng)供應(yīng)三種典型的過(guò)濾板:陶瓷網(wǎng)格過(guò)濾板、泡沫陶瓷過(guò)濾板和編織的玻璃纖維過(guò)濾網(wǎng)。第六節(jié) 金屬過(guò)濾技術(shù)近年來(lái),由于金屬過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展,為得到高純凈度的金屬鑄件和鑄錠提供了條件。黃銅的鑄造性能接近于鋁青銅等無(wú)錫青銅,黃銅液中因有鋅蒸氣的保護(hù)和自然脫氣作用,故很少形成氧化膜和析出性氣孔??刹捎糜炅苁?、壓邊式等頂注式澆注系統(tǒng)。多應(yīng)用底注、開(kāi)放式澆注系統(tǒng),并常用濾渣網(wǎng)和集渣包。三、銅合金澆注系統(tǒng)的特點(diǎn) 鑄造常用的銅合金有鋁青銅、錫青銅和黃銅。 依選取的澆口比,可求出其他組元面積。根據(jù)水力模擬試驗(yàn)及實(shí)際澆注試驗(yàn),確定出輕合金充型時(shí)的最大允許雷諾數(shù)如表3416所示。澆口比如下: 鑄件 小于20kg S直:S橫:S內(nèi)=1:2:(2~4) 20~50kg S直:S橫:S內(nèi)=1:3:(4~5) 大于50kg S直:S橫:S內(nèi)=1:4:(5~6)推薦以容許最小紊流程度為依據(jù)的阻流計(jì)算法。蛇形直澆道增加流動(dòng)阻力,降低流速使充型平穩(wěn)。據(jù)經(jīng)驗(yàn),低于100mm的矮鑄件才可用頂注式或中間注入式澆注系統(tǒng)。 因此,要求合金在澆注系統(tǒng)中流動(dòng)平穩(wěn),不產(chǎn)生渦流、噴濺,以近乎層流的方式充型。有的糊狀凝固特性強(qiáng),難于消除縮松,澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意發(fā)揮冷鐵、冒口的作用,要求有較大的縱向溫度梯度才能消除縮松缺陷。輕合金降溫快,應(yīng)快澆。 過(guò)熱的鋁合金有很高的氫的溶解度,因而應(yīng)嚴(yán)格控制熔煉溫度,脫氫和變質(zhì)處理應(yīng)精心,否則易引起析出性氣孔。輕合金的澆注溫度低,對(duì)型砂的熱作用較輕。二、輕合金鑄件的澆注系統(tǒng) 輕合金是鋁、鎂合金的統(tǒng)稱,特點(diǎn)是密度小,熔點(diǎn)低,容積熱容量小而熱導(dǎo)率大,化學(xué)性質(zhì)活潑,極易氧化和吸收氣體。只要知道底注澆包的內(nèi)尺寸、出鋼的噸位和渣量,根據(jù)上面的一組方程就可以計(jì)算并繪出底注澆包的澆注工藝特性曲線。(二)底注包澆注工藝特性的應(yīng)用傳統(tǒng)計(jì)算法簡(jiǎn)便易行,但存在著重要缺點(diǎn),澆注速度采用“平均值”,這與實(shí)際情況不符。其他組元截面積以包孔截面積為基準(zhǔn),參照下述澆口比確定澆注系統(tǒng)各組元截面積 S包孔:S直:S橫:S內(nèi) =1:(~): (~) :(~)生產(chǎn)中為加強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮效果,常在每個(gè)冒口下部設(shè)置內(nèi)澆道,冒口數(shù)量多時(shí),內(nèi)澆道數(shù)目也相應(yīng)增多,結(jié)果使?jié)沧⑾到y(tǒng)更加“開(kāi)放”。經(jīng)校核、如果鋼液上升速度達(dá)不到要求,應(yīng)采取措施,使之滿足表347的要求。澆注時(shí)間和液面上升速度可用公式(3426)或表344給出的數(shù)據(jù)初步確定澆注時(shí)間,作為選擇包孔的依據(jù)。應(yīng)指出,同一澆包和包孔的澆注速度,隨包內(nèi)鋼液深度變化而變化。每個(gè)包孔的鋼液流量——澆注速度,不僅決定于包孔直徑,還與包內(nèi)鋼液深度有關(guān)。澆包容量及包孔選擇澆包總?cè)萘繎?yīng)大于鑄型內(nèi)金屬需要量。(一)底注包澆注系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法鑄鋼車間的澆包容量和熔爐噸位一致,一般只有一種或幾種容量的澆包和數(shù)種直徑的包孔。用底注澆包澆注時(shí),澆注系統(tǒng)必須是開(kāi)放式的,直澆道不被充滿,保證鋼液不會(huì)溢出澆道以外。塞桿阻流有一定限度,依經(jīng)驗(yàn),超過(guò)此限度時(shí)鋼液流股分散,無(wú)法正常澆注。只在造型流水線上澆注小件的個(gè)別情況下才使用轉(zhuǎn)包澆注。絕大多數(shù)工廠使用保溫性能好、阻渣能力強(qiáng)的底注澆包,中大型鑄件的直澆道用耐火磚管砌成。對(duì)較大的熱節(jié)或鑄件,則另設(shè)冒口,使內(nèi)澆道通過(guò)冒口,以提高冒口的補(bǔ)縮效率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),澆注時(shí)間的變化如果超過(guò)1秒,廢品就會(huì)大幅度增加。澆口杯應(yīng)足夠大。盡量使各層型腔同時(shí)充滿。實(shí)踐表明,對(duì)垂直分型無(wú)箱造型,可以采用恒壓等流量澆注系統(tǒng)——強(qiáng)封閉式澆注系統(tǒng)。三、垂
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