大型厚壁护套的离心铸造工艺及铸型强度校核.pdf
May 2016VO|．65 No．5铸 造FOUNDRY ·459·大型厚壁护套的离心铸造工艺及铸型强度校核杨达飞1，谢帮灵2，杨为勤3(1．柳州职业技术学院，广西柳州545006；2．柳州城市职业学院，广西柳州545002；3．武昌船舶重工集团有限公司，湖北武汉430064)摘要：出口的大型高锰铝青铜厚壁护套是船用螺旋桨上的重要部件，质量要求高。文中介绍了该产品的离心铸造工艺参数确定及铸型的设计。给出了铸件内圆缩凹深度6值的确定方法，为铸件内圆加工余量的设计提供了依据。对于大型立式离心铸造，采用铸铁作为铸型的材质时，铸型发生碎裂的风险较高，为此给出了铸型的强度校核方法。在强度校核中，涉及铸型最高温度的估算，需对不定方程进行求解。采用逐次逼近算法，能得到较为准确的结果。关键词：高锰铝青铜；立式离心铸造；大型厚壁护套；缺陷的防止；强度校核中图分类号：TG249．4 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)05—0459—04Vertical Centrifugal Casting Technology of Large Thick WallSheath and Strength Check over Casting MouldYANG Da-fci 1，X]E Bang·lin92,YANG Wei-qin3(1．LiuZhou Vocational&Technical College，Liuzhou 545006，Guangxi，China；2．Liuzhou City Career Academy，Liuzhou545002，Guangxi，China；3．Wuchang Shipbuilding Industry Co．，Ltd．，Wuhan 430064，hubei，China)Abslract：The large thick wall sheath in high manganese aluminum bronze used for export iS one of theimportant components ofthe marine propeller,and the quality requirement ofthis component is very high．Themethod to determine the technological parameters of centrifugal casting and the design of the casting mouldwere introduced,in this article．The author presented a method to calculate the depth offillet puncture in casting,which offers the basis theory for the design of the metal allowance of fillet puncture in casting．For the largevertical centrifugal casting,the risk of the mould break iS high when material of the metal mould iS cast iron．Therefore，the author stated a method of strength check for the metal mould．During the strength check,themaximum temperature of casting mould shall be calculated,and this needs to seek the solution of indefiniteequations．The successive approximation algorithm was used to acquire a more accurate result．Key words：hi曲manganese aluminium bronze；vertical centrifugal casting；large thick wall sheath；defectprevention；strength check护套是船用螺旋桨上的重要部件，材质为船级社规范中的三级镍铝青铜Cu3，即国家标准中牌号为ZcuAl8Nml3Fe3Ni2的高锰铝青铜。护套为出口产品，质量要求很高。该批产品有大、中两种型号，大型护套的尺寸为(锥qq045 inln、q)91 1 mm)／q)727 mmx310 mm，单件铸件质量为920 kg，数量为18件；中型护套的尺寸为(锥①762 mlll、q)691 mm)／gM97 minx276 mill，单件铸件质量为460 kg，数量为14件。采用大型立式离心铸造，单独浇注金属型试棒。大型护套的特性分析1．1 大型护套的尺寸参数分析选择有代表性的大型护套进行研究，铸件尺寸见图1(已放了加工余量)。其尺寸参数：高度／最大外径=0．297；最大外径／内径=1．46；最大壁厚为167 nlln。铸庐727／ ／／ ／／ ／咖1015图1 大型护套的铸件尺寸简图Fig．1 Dimensional sketch oflarge sheath基金项目：广西教育厅科研课题(KY201 5YB479)；广西柳州科技攻关项目(2014C030204)。收稿日期：2015—12—11收到初稿，2016--01--09收到修订稿。作者简介：杨达飞(1970一)，男，副教授，研究方向为现代制造技术及机电一体化。电话：0772-3156067，E·mail：yangdafeil973@sina．tom万方数据·460· FOUNDRYMay 2016V01．65 No．5件外圆为锥形，且壁厚较厚，故不适合做成长套，一切几件。由此可知，该铸件应采用立式离心铸造方式生产，最大外径／内径6 h。2．5铸型的工作温度铸型的工作温度为160--一200℃。在铸型工作表面的涂料烘干后，进行空冷，冷却至铸型的工作温度时进行浇注。2．6浇注温度对于铝青铜来说，若浇注温度太低，则氧化夹杂不易浮出；若浇注温度过高则容易产生气孔等缺陷，而且不利于保护铸型，故取浇注温度为1 050～1 070℃。2．7脱模温度为便于操作，应在铸件自然冷却到300--一400℃左右时脱模。3铸型的设计与强度校核3．1设备性能简介使用的大型立式离心铸造机，电机功率为75 kW，””咱om坦H一一一㈣～～～万方数据铸造 杨达飞等：大型厚壁护套的离心铸造工艺及铸型强度校核 ·461·主轴最高转速为500 rpm，无极调速。该设备适用的铸件尺寸：外径0900～02 000 mill，高度100～500 mlYl，离心机底盘承载总重量肜在10 t以内。立式离心机底盘、铸型、锁紧装置、浇注系统装配图见图2。1．盖板2．铸型3．锁紧螺栓4．底板5．离心机底盘6．花形压板7．浇注系统图2立式离心机底盘、铸型、锁紧装置、浇注系统装配简图Fig．2 Assembly sketch ofchassis，casting mold，locking apparatus andgating system in vertical centrifugal machine3．2铸型设计及强度校核3．2．1铸型设计离心铸型由金属筒套、底板、盖板三部分组成，对本例大型护套，考虑铸件外圆收缩率1．5％后，金属筒套的尺寸如图3所示。图3离心铸型金属筒套简图Fig．3 Rough drawing ofmetal barrel casing in centrifugal casting mould3．2．2金属筒套材质的选用及强度校核金属筒套的材质可在灰铸铁HT250、球墨铸铁QT450。10及铸钢ZG230--450中进行选择。当筒套的材质为铸钢ZG230--450时，对于浇注铜合金离心铸件，不需要进行强度校核，但若生产铸件较多时，铸钢筒套容易产生变形；对于大型立式离心铸造，筒套的材质采用铸铁时，不易产生变形，但铸铁(尤其是灰铸铁)铸型发生破裂的风险较高，要对筒套进行强度校核。金属筒套的强度校核方法t211【11下。(1)金属筒套断面上的拉应力。一。忻(罱肿撕斗警舒](2)式中：0-为筒套截面受到的拉应力，Pa；0-。为由筒套自身质量对筒套截面产生的拉应力，Pa；0-2为由金属液质量对筒套截面产生的拉应力，Pa；p模具为筒套的密度，kg／m3；p液为金属液的密度，kg／m3；n为筒套的转速，r／min；R。为筒套内圆半径(铸件外圆半径)，m；R外为筒套外圆半径，m；r0为铸件内圆半径，m。本例中，由于铸件数量较多，考虑铸铁筒套不容易产生变形，筒套材质先考虑取灰铸铁HT250，p套=7 200 kg／m3(灰铸铁)，p液=7 500 kg／m3(高锰铝青铜)，ro=0．3635 m，由于铸件最大壁厚处在下端，筒套在该处拉应力最大，对于铸件下端，R外=0．665 0 m，R0=0．515 5 m。铸型下端截面中的拉应力为一，忻(罱忡2鼎斗学静]：(订x400．1×7200×0．66502+7500x0．5155(0．51552-0．36352)2x(0．6650—0．5155)=8．85Ⅳ口a。(2)铸型最高温度的估算。金属液浇人后，铸型温度的升高值为△仁Or“惫 (3)式中：△丁为金属液浇人后，铸型温度的升高值，℃；尬十为铸件质量，kg；M型为铸型质量，蚝。其中仅可从不同铸件材质与铸型材质搭配时的d值(见表4)中查得【31。表4不同铸件材质与铸型材质搭配时的Ot值Table 4 Value table a when difference casting materialscollocate with djfkrence mould materials铸型 铸件材质铸型材质器羔铸铁 碳素铸钢黄铜灰铁球铁低碳钢中碳钢一般地，由于不同温度下铸型的固态比热容不同，导致0【值相应也不同，需要对不定方程进行求解，可采用逐次逼近算法能得到较为准确的结果：将铸型最高温度的估算值与初次假设的铸型最高温度相比较，若其差值超出温度档差值的一半时，则需进行修正，即要用与初算值相差25℃以内的温度档的Ot值代入公式重新计算。大型锥形护套铸件质量M#e=920 kg，当铸型材质为万方数据FOUNDRYMay 2016V01．65 NO．5铸铁HT250时，铸铁筒套的质量为1 205 kg，底板盖板的质量为950 kg，故铸型质量』I缸=1 205+950=2 155 kg。先假设的铸型最高温度为400℃，当铝青铜铸件与铸铁铸型搭配时，从表4可知，与400℃对应的a=695．89，从式(3)，铸型温度的升高值(初算值)为△n=枷{牛／M型-695．89×920／2155=297℃。对于商锰铝青铜铸件，铸型的工作温度为180℃，故铸型最高温度为p△乃+Tze温度=297+180=477℃显然，最初假设的铸型最高温度为400℃，而计算出的铸型最高温度为477℃，两者相差较大，这是由于不同温度下铸型的固态比热容不同，导致仅值相应也不同所致，要用与初算值温度档差值的一半(即相差25℃)以内的温度档的0【值代人公式重新计算，与477℃相差小于25℃的温度为450℃，再选择450℃对应的0【值=683．42，代人公式有△z’2-仅^纭件／^纭型=683．42x920／2155=292℃。故铸型最高温度：T3=AT2+T-r作温度=292+180=472℃，算出的乃和第二次假设的铸型最高温度为450℃相差小于25℃，故可认为铸型最高温度为472℃。(3)铸型材料许用应力的确定。常用离心铸型材料的许用应力见表5【2】。用插值法可得，472℃时铸铁HT250的许用应力[盯]_7．6 MPa。表5常用离，厶铸型金属材料的许用应力(节选)Table 5 Permissible stress of metal materials for common centrifugal casting mould(4)筒套的强度校核。当盯>[盯】时，离心铸型满足强度校核条件，无破裂风险。显然0=8．85^佃a>[矿]=7．6 MPa。即筒套有发生破裂的风险，故不应采用灰铸铁，采用球墨铸铁QT450．10及铸钢ZG230--450贝IJ无安全问题，考虑到球墨铸铁筒套不易变形，且球墨铸铁与灰铸铁的仅值相同，即球墨铸铁筒套的最高温度也为472℃，而在该温度时球墨铸铁QT450．10的许用应力[盯]=42 MPa，显然0=8．85 MPa<[矿】=42 MPa，故确定铸型的材质选用球墨铸铁QT450—10。4实际生产该批护套产品的型号，大型锥形护套18件(见图4)；中型护套14件，总质量为23 t。筒套材质采用球墨铸铁未发生安全隐患，铸件无铸造缺陷，化学成分及力学性能都满足要求，产品加工后质量良好，用户表示满意。5结论(1)立式离心铸造条件下，在设计铸件内圆加工余量时，除了要考虑铸件内圆的上、下端半径差，还要注意铸件内圆表面的缩凹深度，在取两者中的最大值的基础上设计加工余量。(2)对于大型立式离心铸造，筒套的材质采用铸图4大型厚壁护套实物图Fig．4 Large thick wall sheath casting铁时，不易产生变形，但铸铁(尤其是灰铸铁)铸型发生破裂的风险较高，要对筒套进行强度校核。(3)由于不同温度下筒套的固态比热容不同，导致OL值也相应不同，需要对不定方程进行求解，给出了逐次逼近算法，能得到较为准确的结果。参考文献：[1]中国机械工程学会铸造学会．铸造手册：第6卷特种铸造【M】．北京：机械工业出版社，1994．【2】杨为勤．离心铸型金属筒套截面中拉应力的计算方法【J】．特种铸造及有色合金，2013，33(9)：829—832．【3】杨为勤．离心铸造时铸型最高温度的估算方法叨．铸造技术，2014，34(11)：1519—1522．(编辑：潘继勇，pjy@foundryworld．corn)万方数据
铸造文库