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大型机床床身铸造凝固过程残余应力分析

时间:2019-05-13 16:30 作者:东建铸造 点击: 次
床身是机床主要部件,大型床身一般采用铸造方法生产。对于大型床身,根据功能需要,设计的床身壁厚悬殊较大,这将造成铸件在凝固过程中产生残余应力,影响床身尺寸精度和使用寿命。近年来,残余应力的消除引起业界的极大关注,特别是振动时效技术因其具有绿色环保、节能等优点而被广泛应用。振动时效工艺参数的确定必须确切了解工件残余应力的分布和大小。
床身铸造的基本工艺条件:采用树脂砂型铸造方法。铸造工艺流程为浇注温度为1400℃,72h后落砂,自然冷却。
铸件凝固过程中系统的热物理参数、热边界条件以及系统内能都随时间而变化。
由于机床床身的尺寸较大,在初始浇注时模型的温度并不均匀。本文假设开始浇注极短时间0.01s范围内稳态热分析的结果作为后续瞬态热分析的初始条件。铸件初始温度:1400℃,铸型初始温度:25℃。对铸造过程进行热分析的边界条件是铸型与空气之间的空气对流。由于砂型铸造,对流系数随温度变化不大,取为常数65W/m2.C。
在强通风对流条件下,床身温度变化非常快,较初1h温度下降高达180℃,4h后床身整体温度已降至50℃以下,且较低温度已接近室温。随后由于本身温度较低,温度变化相对缓慢,7h后较高温度降至28.5℃,整体温差只有3℃。同时可以看到铸件在落砂后,自然对流条件下较薄部位的筋板和横断隔板降温较快,较厚部位的无排屑孔导轨降温较慢。
床身中在整个铸造过程中应力一直较大位置节点(床头第 一排削孔横隔板与竖向筋板交接位置)的等效残余应力变化曲线。
床身铸造过程中较大等效残余应力与床身温度场变化关系显著.较大等效残余应力分布在筋板与无排屑孔的导轨面相交处以及在床头箱、床尾与导轨面相交有筋板处,在床头第 一排屑孔横隔板与竖向筋板交接位置达到较大。在床身较高温度处于400℃以上时,等效残余应力随床身较高温度降低而急剧增加.在临界温度以下随床身较高温度降低而缓慢降低。这一方面是由于铸铁弹塑性变形的临界温度为400℃,在400℃以上铸件因局部降温不均匀会产生塑性变形而形成残余应力累积,在400℃以下时床身整体降温减缓,引起塑性变形可能性较小,等效残余应力基本不会增加。另一方面,由于床身较高温度为400℃时正好是在浇注72h左右时间段,此时工艺要求落砂,落砂后床身受到约束减小,可以认为之后降温引起床身变形是在无约束条件下进行的,因此随着降温可以释放部分残余应力,所以床身较大等效残余应力逐渐缓慢减小,直至降温到室温时较大等效残余应力几乎不再变化。这种趋势更容易看清楚。较大等效残余应力约为150MPa,位置处在床头第 一排屑孔横隔板与竖向筋板交接处,即此处易造成裂纹现象,这与实际生产相符。
床身铸件在液态、凝结态和固态冷却的过程当中所发生的体积减小征象,称为压缩。是以,压缩是锻造合金自己的物理性子。
压缩时床身铸件发生缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂的根本缘故原由。金属从液态到常温的体积转变量称为体压缩。金属在固态是由低温到常温的线尺寸转变量,称为线压缩。
1.液态压缩 充斥铸铁平台铸型刹时,液态金属由所具备的温度冷却到开端凝结的液相线温度的体压缩称为液态压缩。(合金过热度、合金自己性子等对液态压缩有较大的影响)
2.凝结压缩是指从液相线温度到固相线温度金属所发生的体压缩,对付在必定温度下结晶的纯金属和共晶身分的合金,凝结压缩只是因为合金的状况的转变,而与温度有关。具备结晶温度距离的合金,凝结压缩不只与状况有关,且随结晶温度距离的增大而增大。液态收到和凝结压缩时床身铸件发生缩孔和缩松的根本缘故原由。
3.固态压缩 自固相线温度冷却到常温,床身铸件各个方向上都表现为线尺寸的减少,对床身铸件的外形和尺寸精度影响大。也是床身铸件(铸铁平台)发生应力、变形和开裂的根本缘故原由。
床身铸件是由铁水锻造而成的物品的统称,铸铁与钢比拟固然强度较低,塑性较差, 但却具备良好的磨性、吸震性、锻造性和可 切削性等长处,又因制作装备简略,临盆本钱低,以是常用于制作机械的箱体、壳体,机身、 机座等大型机件。某些受冲出不大的紧张整机,如小型柴油机曲轴等多用球墨铸铁来制 然则,铸铁的焊接性差,限定了它在焊接 布局中的利用。今朝焊接在铸铁中重要利用是对床身铸件的焊补与修复,用于临盆组合件的场所很少。因为多种身分影响,床身铸件常常会呈现气孔、针 孔、夹渣、裂纹、凹坑等缺点。常用的修补装备为氩弧焊机、电阻焊机、冷焊机等。对付品质与表面请求不高的铸件缺点可以用氩弧焊机等发烧量大、速率快的焊机来修补。
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