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大型機床床身鑄造凝固過程殘余應力分析

時間:2019-05-13 16:30 作者:東建鑄造 點擊: 次
床身是機床主要部件,大型床身一般采用鑄造方法生產。對于大型床身,根據功能需要,設計的床身壁厚懸殊較大,這將造成鑄件在凝固過程中產生殘余應力,影響床身尺寸精度和使用壽命。近年來,殘余應力的消除引起業界的極大關注,特別是振動時效技術因其具有綠色環保、節能等優點而被廣泛應用。振動時效工藝參數的確定必須確切了解工件殘余應力的分布和大小。
床身鑄造的基本工藝條件:采用樹脂砂型鑄造方法。鑄造工藝流程為澆注溫度為1400℃,72h后落砂,自然冷卻。
鑄件凝固過程中系統的熱物理參數、熱邊界條件以及系統內能都隨時間而變化。
由于機床床身的尺寸較大,在初始澆注時模型的溫度并不均勻。本文假設開始澆注極短時間0.01s范圍內穩態熱分析的結果作為后續瞬態熱分析的初始條件。鑄件初始溫度:1400℃,鑄型初始溫度:25℃。對鑄造過程進行熱分析的邊界條件是鑄型與空氣之間的空氣對流。由于砂型鑄造,對流系數隨溫度變化不大,取為常數65W/m2.C。
在強通風對流條件下,床身溫度變化非常快,較初1h溫度下降高達180℃,4h后床身整體溫度已降至50℃以下,且較低溫度已接近室溫。隨后由于本身溫度較低,溫度變化相對緩慢,7h后較高溫度降至28.5℃,整體溫差只有3℃。同時可以看到鑄件在落砂后,自然對流條件下較薄部位的筋板和橫斷隔板降溫較快,較厚部位的無排屑孔導軌降溫較慢。
床身中在整個鑄造過程中應力一直較大位置節點(床頭第 一排削孔橫隔板與豎向筋板交接位置)的等效殘余應力變化曲線。
床身鑄造過程中較大等效殘余應力與床身溫度場變化關系顯著.較大等效殘余應力分布在筋板與無排屑孔的導軌面相交處以及在床頭箱、床尾與導軌面相交有筋板處,在床頭第 一排屑孔橫隔板與豎向筋板交接位置達到較大。在床身較高溫度處于400℃以上時,等效殘余應力隨床身較高溫度降低而急劇增加.在臨界溫度以下隨床身較高溫度降低而緩慢降低。這一方面是由于鑄鐵彈塑性變形的臨界溫度為400℃,在400℃以上鑄件因局部降溫不均勻會產生塑性變形而形成殘余應力累積,在400℃以下時床身整體降溫減緩,引起塑性變形可能性較小,等效殘余應力基本不會增加。另一方面,由于床身較高溫度為400℃時正好是在澆注72h左右時間段,此時工藝要求落砂,落砂后床身受到約束減小,可以認為之后降溫引起床身變形是在無約束條件下進行的,因此隨著降溫可以釋放部分殘余應力,所以床身較大等效殘余應力逐漸緩慢減小,直至降溫到室溫時較大等效殘余應力幾乎不再變化。這種趨勢更容易看清楚。較大等效殘余應力約為150MPa,位置處在床頭第 一排屑孔橫隔板與豎向筋板交接處,即此處易造成裂紋現象,這與實際生產相符。
床身鑄件在液態、凝結態和固態冷卻的過程當中所發生的體積減小征象,稱為壓縮。是以,壓縮是鍛造合金自己的物理性子。
壓縮時床身鑄件發生縮孔、縮松、熱裂、應力、變形和冷裂的根本緣故原由。金屬從液態到常溫的體積轉變量稱為體壓縮。金屬在固態是由低溫到常溫的線尺寸轉變量,稱為線壓縮。
1.液態壓縮 充斥鑄鐵平臺鑄型剎時,液態金屬由所具備的溫度冷卻到開端凝結的液相線溫度的體壓縮稱為液態壓縮。(合金過熱度、合金自己性子等對液態壓縮有較大的影響)
2.凝結壓縮是指從液相線溫度到固相線溫度金屬所發生的體壓縮,對付在必定溫度下結晶的純金屬和共晶身分的合金,凝結壓縮只是因為合金的狀況的轉變,而與溫度有關。具備結晶溫度距離的合金,凝結壓縮不只與狀況有關,且隨結晶溫度距離的增大而增大。液態收到和凝結壓縮時床身鑄件發生縮孔和縮松的根本緣故原由。
3.固態壓縮 自固相線溫度冷卻到常溫,床身鑄件各個方向上都表現為線尺寸的減少,對床身鑄件的外形和尺寸精度影響大。也是床身鑄件(鑄鐵平臺)發生應力、變形和開裂的根本緣故原由。
床身鑄件是由鐵水鍛造而成的物品的統稱,鑄鐵與鋼比擬固然強度較低,塑性較差, 但卻具備良好的磨性、吸震性、鍛造性和可 切削性等長處,又因制作裝備簡略,臨盆本錢低,以是常用于制作機械的箱體、殼體,機身、 機座等大型機件。某些受沖出不大的緊張整機,如小型柴油機曲軸等多用球墨鑄鐵來制 然則,鑄鐵的焊接性差,限定了它在焊接 布局中的利用。今朝焊接在鑄鐵中重要利用是對床身鑄件的焊補與修復,用于臨盆組合件的場所很少。因為多種身分影響,床身鑄件常常會呈現氣孔、針 孔、夾渣、裂紋、凹坑等缺點。常用的修補裝備為氬弧焊機、電阻焊機、冷焊機等。對付品質與表面請求不高的鑄件缺點可以用氬弧焊機等發燒量大、速率快的焊機來修補。
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