铸钢半齿圈动态顺序凝固补缩工艺

作者：信息来源:模具 2008-6-26

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摘要：针对5～10 t铸钢半齿圈铸件，介绍了动态顺序凝固补缩工艺的设计原则和有关参数的计算方法。动态顺序凝固。冒口。热节中图分类号：TG244+。...

摘　要：　针对5～10 t铸钢半齿圈铸件，介绍了动态顺序凝固补缩工艺的设计原则和有关

数的计算方法。
　　关键词：　铸钢件；动态顺序凝固；冒口；热节
　　中图分类号：TG244⁺.3　　　文献标识码：A　　　文章编号：1001-3814(2000)03-003 8-03

Feeding Technique of Steel Casting Gear with Dynamic Directional Solidification

FAN Jin-hui
（School of Materials Science and Engineering,Hebei Universit y of Science & Technology）
WEI Bing　YUAN Sen
（School of Materials Science and Engineerin g,Xi'an University of Technology）

　　Abstract：　To counter 5～10 t steel casting gear,design pr inciple of the technology of dynamic directional solidification and calculating method of the parameters as to the technology were introduced.
　　Key words：　steel casting; dynamic directional solidificat ion; riser; hot spot

1　引言

　　铸钢件的凝固收缩大，铸件的收缩全部由冒口补给，正确地设计冒口将有助于提高工艺出品率，节约金属和能源，达到即保证铸件质量又降低成本的目的。在期生产中，铸钢件普遍采用顺序凝固原则设置补缩冒口，但传统的顺序凝固只强调几何结构上的凝固顺序，没有考虑加冒口后形成接触热节和补缩液流通效应对实际凝固时间的影响，所以称为几何顺序凝固。冒口放在热节上，形成接触热节与几何热节重合，使最后凝固单元常常落在铸件内，在铸件中形成缩孔、缩松。
　　动态顺序凝固指冒口离开热节，放在近热节的次热节处，利用冒口根处形成接触热节和冒口中补缩液的流通效应，实现铸件各部分按远离冒口的部分先凝固，几何热节后凝固，冒口最后凝固的顺序凝固。它不仅强调几何结构上的凝固顺序，同时强调冒口偏离热节，避免热量过分集中，利用冒口偏离热节后与铸件形成的接触热节和补缩液流通效应，实现朝向冒口的凝固顺序，使最后凝固单元真正移入冒口，有效地防止铸件出现缩孔、缩松缺陷，冒口离开热节动态顺序凝固是铸钢件补缩设计的新思想。
　　铸钢半齿圈是应用于矿山、冶金、水泥、建筑、煤炭、电力等行业的重要大型铸件，其轮缘铣齿深度达轮缘厚度的一半，对铸件的致密度要求很高。本文以5～10t、9个系列(见表1) 的铸钢(ZG45)半齿圈为对象，介绍了采用动态顺序凝固补缩工艺的设计原则和有关参数的计算方法。所采用的铸造工艺如图1所示。

2　热节圆直径和几何模数的计算

　　轮缘冒口为腰圆形保温明冒口。轮缘与辐板两壁口、轮缘薄壁和轮缘热节的热节圆直径及模数分别记为D_m、 D_b、D_r及M_m、M_b、M_r，计算公式如下。

图1　铸造工艺简图

表1　铸件质量及主要尺寸与轮缘冒口规格

<DIV align=center>序
号铸件质量
(kg)铸件主要尺寸(mm)轮缘冒口规格(mm)D_lyh_yt_yh_fh_jb×l×h1
2
3
4
5
6
7
8
96350
5600
7800
5600
7800
7600
6800
90 00
101004389
4510
4528
4684
4750
4878
5150
5264
5496535
485
5 34
484
534
535
485
536
540155
141
178
154
161
150
132
167
16360
50
70
50
70
70
50
70
8045
45
50
40
50
50
50
50
60320×480×550
300×450×500
340×510×550
320×480×500
340×510×550
340×510×550
340×510×500
360×540×550
360×540×600</DIV>

相交的部分比轮缘与辐板和立筋三壁相交部分的热节圆直径小，称为轮缘薄壁。轮缘与辐板和立筋三壁相交的部分为轮缘几何热节，称轮缘热节，如图2。轮缘冒

图2　轮缘局部示意图

计算结果如表2。

表2　模数和热节圆直径

<DIV align=center>序号模数(cm)热节圆直径(mm)比例关系M_mM_bM_rD_mD_bD_rM_m∶M_b∶1D_m∶D_b∶11
2
3
4
5
6
7
8
97.30
6.78
7.63
7.12
7.63
7.63
7.42
7.95
8.147.03
6.38
7.75
6.71
7.33
7.05
6.15
7.48
7.547.45
6.84
8.18
7.09
7.77
7.51
6.68
7.93
8.10320
300
340
320
340
340
340
3 60
360180.1
164.3
204.0
176.2
188.7
179.0
156.2
194.1
193.8187. 5
190.5
206.0
201.4
214.0
205.7
208.8
221.8
230.00.98∶0.94∶1
0.99 ∶0.93∶1
0.93∶0.95∶1
1.00∶0.95∶1
0.98∶0.94∶1
1.02∶0.94∶1
1.11∶0.9 2∶1
1.00∶0.94∶1
1.01∶0.93∶11.71∶0.96∶1
1.57∶0.86∶1
1.65∶0.99∶1
1.59∶0.87∶1
1.59∶0.88∶1
1.65 ∶0.84∶1
1.63∶0.75∶1
1.63∶0.87∶1
1.75∶0.84∶1</DIV>

3　物理模数的意义

　　由模数的定义，根据铸件的几何尺寸得出的模数值，称为几何模数。几何模数在一定程度上能够近似地反映铸件的冷却凝固过程，但实际上影响铸件凝固的因素很多，如铸件内金属液的流动，浇冒口的位置等，考虑些因素，反映铸件的实际凝固时间的模数称为物理模数。物理模数就是把凝固系数k作为常数时，与铸件或热节实际凝固时间相对应的模数值。
　　按照模数法设计原则，要保持从铸件热节到冒口的顺序凝固，冒口、冒口颈和热节的模数，通常要满足M_冒∶M_颈∶M_热=1.2∶1.1∶1。而由以上计算结果，半齿圈冒口离开热节后，轮缘上冒口、薄壁(相当于冒口颈部分)和热节的几何模数比为M_m∶M_b∶ M_r=(0.93～1.02)∶(0.92～0.95)∶1。对于保温冒口，几何模数比M_冒∶M_热可取(0.8 5～1.00)∶1^［2］，冒口凝固时间的延长由保温套来保证。很显然，轮缘薄壁部位的几何模数小于热节处的几何模数。但实际生产出来的铸件，热节处却全部健全致密，这表明薄壁部位是迟于热节处凝固的，也就是说薄壁部位的实际物理模数与热节模数的比例是满足补缩要求的，即有M_bw＞M_r，式中M_bw为薄壁部位的物理模数。
　　动态顺序凝固理论，引入物理模数，能很容易地解释冒口离开热节的成功。薄壁部位的实际凝固模数(物理模数)大于热节处的凝固模数，是由于冒口下接触热节的热影响和补缩液的流通效应作用的结果。

4　冒口偏移距离与冒口偏离系数

　　冒口中心线离开铸件热节中心线称为冒口离开热节，两者之间的距离称为冒口偏移距离，用 L表示。如图3所示。

图3　冒口离开热节示意图

　　铸钢半齿圈冒口离开热节工艺将冒口放在两个热节中间，如图1。因此半齿圈轮缘冒口偏移距离L的计算公式为：

为了表示冒口离开热节的程度，把冒口偏移距离与热节圆直径的比值称为冒口偏离系数S，S=L/D_r。
　　半齿圈轮缘上冒口偏移距离L和冒口偏离系数S的计算结果如表3。

5　冒口有效补缩范围

　　冒口有效补缩范围是从冒口中心算起的冒口能够补缩的最大长度，用L_f表示。半齿圈轮缘上冒口有效补缩范围的计算公式为

在这里，半齿圈轮缘上冒口的实际补缩范围，即为冒口偏移距离L，冒口实际补缩范围与冒口有效补缩范围的比值定义为：C=L/L_f。
　　令半齿圈轮缘上冒口有效补缩范围L_f与热节圆直径D_r的比例系数为：S_f=L_f/D_r，计算结果如表3。
　　由计算结果，比例系数C值均小于1，即轮缘上热节在冒口有效补缩范围之内。S_f的平均值 3.21，这相当于轮缘薄壁处几何模数M_b与热节处几何模数M_r相同(即轮缘为截面模数等于M_r的均匀杆件)时的冒口偏离系数。

表3　冒口偏移距离及冒口有效补缩范围

6　冒口偏移距离一般公式设想与推导

　　在铸件材质、铸型种类、浇注温度等因素一定的条件下，影响半齿圈类铸钢件冒口偏移距离和冒口偏离系数的因素就是铸件的几何因素，这个因素用热节和与热节相邻的薄壁次热节的模数比来表示，定义

式中M_cr为薄壁次热节的模数。因为当q=0时，即M_cr=0，其物理意义是没有薄壁次热节，冒口只能放在热节上，也就是冒口偏离系数S=0。q越大，薄壁次热节的模数相对越大，即薄壁次热节处的凝固时间相对越长，冒口偏离系数S也便可随之增大。因此，S与q之间的关系可用指数函数来拟合

S=kqⁿ 　 (k,n为待定常数，k＞0，n＞0 )

根据前面的统计计算结果，求得k=3.21，n=0.88，所以有

S=3.21q^0.88=3.21(M_cr/M_r)^0.88

　　因为冒口偏移距离L=SD_r，即L=3.21D_rq^0.88，又因为对于半齿圈轮缘k=3.21 ,即为S_f=3.21，因此有3.21D_r=S_fD_r=L_f，所以可得

此二式即为半齿圈类铸钢件轮缘冒口偏离系数和冒口偏移距离的经验计算式。

7　结论

　　(1)铸钢件冒口离开热节工艺设计原则是：除冒口有足够液体金属补缩和足够补缩压力外，只要冒口的物理模数＞中间薄壁物理模数＞铸件被补缩部位的几何模数，即M_mw＞Mbw＞M_r，便可获得健全致密的高质量铸件。
　　(2)根据统计计算结果推导出了半齿圈类铸钢件冒口偏离系数、冒口偏移距离与冒口有效补缩范围以及铸件结构之间的简单定量关系式。

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