登录【网站注册】点击左边“微信账号登陆”图标,微信扫描即自动注册并登陆
搜索
查看: 1491|回复: 0

[分享资料] 离心铸造工艺浅谈

[复制链接]
发表于 2018-1-15 15:09:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
离心铸造工艺浅谈:

本文通过对立式离心铸造工艺的简单介绍,根据流体静力学原理对金属液体进行受力分析,校核模具顶盖螺栓材料强度,论证初步推断,查找造成该事故的技术原因。在此基础上提出预防措施,为离心铸造的安全运行及现场监督管理提供参考依据。立式离心铸造原理及力场特点离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中,利用离心力作用使金属液自然形成内孔,完成充填和凝固成形的一种铸造方法。立式离心铸造的铸型绕垂直轴旋转,主要用于生产高度小于直径的圆环类铸件,同时也可以利用型芯浇注异形铸件。立式离心铸造过程中,液体金属浇入旋转的铸型中,立即开始随铸型旋转做圆周运动。如在旋转的液体金属中取一个任意质点来分析它的运动特点,流体质点的质量为m,距轴线的距离为r,铸型的旋转角速度为ω。此时,流体质点在X轴方向受离心力mω2r,在Y轴方向受重力mg。同时,由于铸型旋转和流体质点的相对运动,流体质点还受柯氏惯性力2mVω,该力位于XOY平面内与V垂直。受力分析如图3所示。经过一段时间以后,液体金属就获得了与铸型相同的角速度而处于相对静止状态。此时,柯氏惯性力随着相对运动的消失而消失,流体质点只受X轴方向的离心力和Y轴方向的重力。由于大气压的作用,相对静止后,液体金属形成与大气接触的等压自由表面。该自由表面为绕Z轴的回转抛物面。因此,立式离心铸造的铸件上部壁薄,下部壁厚。  
如果将旋转着的液体金属所占的体积看作一个空间,则每个质点都受到F=mω2r的离心力,那么这个空间叫离心力场。在重力场中,单位体积液体金属所受的重力称为重度γ,即γ=ρg。由于离心力场和重力场相似,故在离心力场中单位体积液体金属重力场中的离心力称为有效重度γ′,即γ′=ρω2r。在离心铸造中,每个质点同时存在于重力场和离心力场中,有效重度往往比重度大几十甚至上百倍。由于铸件内表面上金属液体的γ′小于铸件上其他各点的值,所以康斯坦丁诺夫研究后提出,不管液体的种类如何,只要在铸件表面上保证金属的有效重度系数γ′=3。4×106N/m3,就能保证得到组织致密的离心铸件。由此可以得到最低转速:n=β55200γ×r0=β55200ρgr0(r/min)  在此转速条件下,立式离心铸造可以获得合格的铸件,但高速旋转时的液体金属产生的离心压力对铸型端盖产生的向上推力仍不可忽略,所以必须设计可靠的夹紧装置,以保证高速离心机的操作安全。  模型建立离心铸造中,液体金属的充型过程属于带有自由表面、粘性、不可压缩、非稳态流动。当液体金属获得与铸型相同的角速度而处于相对静止状态时,液体金属内部的相对运动消失。根据牛顿内摩擦定律,静止流体的切应力为0,此时液体金属不呈现粘性。因此,对于理想流体(μ=0)和实际流体(μ≠0),所求得的静止流体对边界的作用力相同。  

现以钢液为介质,立式离心铸造机的铸型尺寸为基本几何参数,建立模型。该模型为一筒形的密闭容器,容器的内表面半径R=0。顶盖的质量m盖=15t.容器内装有m钢=5t的钢液,钢液密度为ρ液钢=7000kg/m3,固态钢密度为ρ液钢=7800kg/m3。圆筒以等角速度绕轴旋转,液态钢液达到相对静止状态,形成自由表面,该自由面上的大气压为Pa。受力分析现选取等角速度旋转的非惯性坐标系,分析静止液态钢液对顶盖的上螺栓所产生的作用力。  非惯性坐标系下旋转铸型中钢液对顶盖的作用力Fig.4考虑到在离心铸造过程中,钢液温度约1400℃,虽经过隔热保护,但螺栓的工作温度最高仍可达到400~500℃左右。由于Q235钢的耐热性能差,随着温度的升高,Q235钢强度下降。根据相关实验数据:Q235钢在500℃下屈服强度仅为常温下的40%左右,抗拉强度仅为常温下的47%左右。由此可见,在高温条件下,螺栓强度远不能满足该工况条件下的强度要求。通过以上受力分析,并对该螺栓材料进行强度校核,可以看出造成立式离心铸造机铸型顶盖脱落事故的直接原因是顶盖螺栓强度不足。  
该立式离心铸造机的工装铸型在设计过程中未进行强度校核,选用的螺栓强度不足。铸造过程中,钢液随铸型高速离心旋转,对顶盖产生向上的推力。随着转速的增加,推力不断增大,作用于螺栓上的拉应力也相应增大,直至达到屈服极限,螺栓开始发生塑性变形,并随着应力的增加变形量逐渐增大。当应力达到强度极限后,发生不均匀的塑性变形,产生缩颈,变形迅速增大,直至发生韧性断裂。7只螺栓被拉断后,顶盖瞬间被掀飞,另1只螺栓也被拉脱,致使高速旋转的高温钢液从铸型中迅速甩出,造成事故。
  
预防措施(1)离心铸造铸型在设计过程中,要准确计算高速旋转时液态金属对铸型顶盖产生的向上推力,采取合理可靠的顶盖夹紧装置。
(2)常用的顶盖夹紧装置大致可以分为3种。a装置中离心夹头靠离心锤的离心力和杠杆原理夹紧顶盖,随着转速的增加,作用于顶盖上的压力越大,顶盖夹得越紧;b装置中钢楔易装卸,但长期使用易造成卡槽变形导致钢楔松动;c装置中螺栓受拉应力,需校核强度,且使用过程中不易装卸。为保证装置的安全,本文建议采用a对顶盖进行固定。
(3)若如本案例一样选用螺栓来紧固顶盖,应对螺栓进行严格的强度校核,以选择螺栓尺寸、确定螺栓数量。在螺栓材质选择过程中,还应充分考虑高温对金属材料强度的影响,选用适合的热强钢,并加强隔热,以防止在高温下长期使用过程中产生组织变化,造成软化而使强度降低或脆化而导致脆性破坏。并且在使用过程中,螺纹部分应涂二硫化钼,以便在受热后能方便拧下,防止铸型本体的内螺纹损坏而导致螺栓拉脱事故的发生。
(4)对于试生产和正常生产,制订完善的安全操作规程,并严格执行。
(5)装置运行过程中,应加强安全管理,禁止无关人员进入现场,并减少现场操作人员。
(6)日常操作过程中,定期对机器设备、铸型及其紧固装置等进行检查、维护和检修。若操作条件或铸型发生变化时,装置要经过严格计算,合理调整转速和紧固装置后才能投入试运行。

【温馨提示】技术问题请优先发到问答专栏,优胜教师团队将及时回复,谢谢!
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则


快速回复 返回顶部 返回列表