圆弧铸件的线收缩行为及线收缩率的正确选择.docx

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圆弧铸件的线收缩行为及线收缩率的正确选择

圆弧铸件的线收缩行为及线收缩率的正确选择

铸造

FOUNDRY?

655?

圆弧铸件的线收缩行为及线收缩率的正确选择

周祚超,王艳霞,薛云,商继章’

（1.秦皇岛秦冶重工有限公司,河北秦皇岛066004;2.秦皇岛职业技术学院,河北北戴河066300;

3.中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司,黑龙江哈尔滨150066）

摘要:

论述了圆弧铸件的线收缩行为特征.针对圆弧铸件传统的铸造生产中,确定线收缩率方法存在的设计误区,分

析了误区形成的原因,提出了在圆弧铸件设计中确定圆弧铸件线收缩率的正确方法,经过实验模型验证和生产实践验

证,该设计方法完全符合设计和生产要求.

关键词:

圆弧铸件;收缩行为;线收缩率;圆心角

中图分类号:

TG241文献标识码:

B文章编号:

1001—4977（2010）07—0655—03

LinearShrinkageBehaviorOfArcCastingsandCOrrectChoiceOf

..…’●IILinearShrinkageKate

ZHOUZuo—chao’,WANGYan—xia’,XUEYun,SHANGJi-zhang.

.,Ltd.,Qinhuangdao066004,Hebei,China;

EngineeringDepa~ment,QinhuangdaoInstituteofTechnology,Beidaihe066300,Hebei,China;

（Group）CorporationLtd.,Harbin150066,HeilongJiang,China）

Abstract:

traditionalmisunderstandingaboutthemethodofdeterminingIinearshrinkagerateofarccastings

fullymeetsthedesignandproductionrequirements.

KeyWOrdS:

arccastings;shrinkagebehavior;Iinearshrinkagerate:

centralangle

自1983年以来,本人在参观考察国内部分大,中型

国有企业,合资企业铸造厂以及2004年在考察韩国一些

铸造厂的过程中发现,在铸造生产圆弧铸件过程中,铸

件内半径尺寸经常大于图纸设计尺寸.为了尽量满足图

纸的尺寸要求,工艺上还要设法采用补贴,拉筋来补

偿.尽管这样,有时因为拉筋尺寸确定不合理,或由于

拉筋根部冷却速度缓慢等原因,拉筋断裂失效是经常发

生的.拉筋一旦断裂,还要采取特殊办法对铸件的变形

进行加热矫正处理,给生产造成了很大的麻烦.这是铸

造业普遍存在,需要从根本上彻底解决的问题.

1传统工艺设计存在的误区

我们最熟悉的圆环铸件,工艺设计比较简单.如

圆环铸件的外半径为尺,内半径r,所有尺寸采用同样

的线收缩率值制作模具即可满足要求.如普通碳钢

铸件线收缩率取%,一般铸件成品与图纸尺寸具

有很好的符合性,这是我们熟知的.同样的圆弧铸件

外半径R,内半径r,如果铸成圆心角为180.的圆弧件,

传统的工艺一般也是线收缩率不变,但要在圆弧件的

铸型两端,设置一个适当尺寸的拉筋,为了保险甚至

还要增加补量.实践多次证明,不放拉筋是收缩不到

位的.在圆弧铸件设计中,人们总是从概念上觉得不

留线收缩率是不对的,不放拉筋也不行,这就是传统

工艺存在的历史性误区.

2形成设计误区的原因

圆环铸件具有封闭的环形结构,这种环形结构决

定了固态金属原子内部的相互作用具有连续结合能.

从微观上讲,当金属原子互相靠近而形成固态金属时,

相邻二原子之间便发生两种相互作用.一种是相互吸

引作用,促使原子接近,这种吸引作用来源于金属正

离子与周围电子之间的静电吸引力.另一种是相互排

斥作用,促使原子彼此离开,这种排斥作用来源于正

离子与正离子之间和电子与电子之间的静电排斥力;

特别是当原子因过分靠近而使电子层发生重叠时,电

子动能增高,使斥力急剧增大.排斥力是一种短程力,

而吸引力是一种长程力.原子间的结合力就是由吸引

力与排斥力合成的;同样的,原子的结合能也是由吸

收稿日期:

2010—03—01收到初稿,2010—05—10收到修订稿.

作者简介:

周祚超（1951一）,男,副总工程师,主要从事热加工工艺与设备的研究.电话:

0335—

?

656?

FOUNDRY

引能和排斥能合成的[1].圆环铸件原子的连续结合能,

使铸件冷却时原子间隙缩小的微观行为,表现出了宏

观周长缩短,半径缩小.这种现象很容易被认识和接

受.然而,多年的铸造实践,把容易认识和接受的这

一

经验,用以指导圆弧铸件的线收缩率工艺设计,却

形成了历史性误区.由于圆弧铸件圆弧的两端原子不

具有连续性,仅受单侧原子的引力,虽然在收缩时弧

长缩短,原子没有向圆心移动的力,没有从理论上认

识到圆弧铸件内半径不会缩小,而圆心角却会缩小.

这正是历史性误区所在.圆环铸件和圆弧铸件微观线

收缩行为是不同的,要弄清楚这些问题,必须从根本

上弄清材料的微观线收缩行为.

3材料的微观线收缩行为

圆环铸件的线收缩行为

以一个最简单的圆环铸件的理想模型为例讨论其

线收缩行为.为了描述清楚,设在直径为的圆周上,

有单列M个原子均匀排列在整个圆周.任意两个原子

的中心弧长,随温度降低,微观上间隙缩小,由于圆

环的封闭性特点,宏观上必然导致直径缩小.也就是

说每个原子必然向圆心移动一定的距离.事实上,圆

环铸件就是这样完成线收缩的.在温度降低,圆环铸

件进行线收缩时,其微观行为是原子间隙缩小,原子

向圆心移动,宏观显示圆周长缩短,同时宏观显示圆

直径缩小.原子间隔,圆周长,圆直径三者从微观到

宏观均按同样的比例缩小.正因为三者的一致性,圆

环铸件在确定线收缩率时,对铸件直径尺寸留出合理

的线收缩率值,就可获得符合图纸尺寸的铸件,这已

被大量的生产实践证明是正确的.

圆弧铸件的线收缩行为

以一个圆弧铸件的理想模型为例,讨论其线收缩

行为.理想模型:

设在半径r,圆心角为90.的圆周上,

有单列Ⅳ个原子均匀排列.微观上任意两个原子随温

度降低而间隙缩小,所以宏观上弧长缩短.由于圆弧

的非封闭性特点,每个原子只能在半径为r的圆周上切

向移动,相互靠拢,没有向心移动的行为.事实上,

圆弧铸件处于内半径的原子就是这样完成线收缩的.

值得注意的是,由于圆弧缩短,圆弧的圆心角缩小了.

因弧长和圆心角成正比,不难计算出,其圆心角缩小

率正好等于线收缩率K.

对于实际圆弧铸件,铸件是多层原子排列在圆心

角为90.的不同半径的圆周上.各层原子在冷却收缩时

的径向移动有如下三种可能.

（1）各外层原子向最内层移动,如图la所示;

（2）各内层原子向最外层移动,如图1b所示;

（3）各层原子向中间层移动,如图1c所示.

金属学扩散理论认为:

在固态金属晶体中,原子都

处于势能谷中进行热运动[21.原子要由一个位置跳到另

一

个位置,必须越过中间的势垒才行,而原子的平均能

量总是低于势垒,所以原子在晶格中要改变位置是不容

易的.因此,液态金属在从熔点降温到液相线温度以

下,完全凝固,直至降到常温的过程中,原子平均自由

能不断减小,间隙不断缩小,各外层原子向最内层靠

拢,完成这样的移动,原子不需要跃层迁移,每层的原

子个数不变.图l是最容易实现的原子排列方式,是圆

弧铸件的实际收缩轨迹,这已被多次实践验证.

（a）第一种（b）第二种（C）第三种

图1圆弧铸件线收缩的径向移动

4圆弧铸件线收缩率的正确选择

根据上面的分析,确定圆弧铸件的线收缩率的理

论分析依据已经清楚.具体圆弧铸件设计生产和模具

制作中,根据铸造线收缩率K的定义式【3J

K=（模一件）/L,~xl00%

（1）

可得

模=件（1+）

（2）

式中:

模为模具尺寸,件为铸件尺寸.

对于圆弧铸件工艺设计中,确定线收缩率的正确

方法如图2所示.

铸件内半径线收缩率确定

根据式

（2）,铸件内半径,线收缩率K=0,模具

内半径为

r模=r件（3）

铸件外半径和模具尺寸计算方法

R件.为铸件尺寸,模—r模为模具尺寸,根据式

（2）

则有

铸造周祚超等:

圆弧铸件的线收缩行为及线收缩率的正确选择?

657?

R模一r模:

（R件一r件）（I+K）（4）实例二

由于铸件内半径不留收缩率,r模=r件,则

R模=r模+（件一r件）（1十K）（5）

铸件圆心角与模具圆心角关系

因为弧长和圆心角成正比,由式

（2）可得铸件圆

心角与模具圆心角关系.

=件×（1+K）（6）

r揍一模具内半径r件一铸件内半径一模具外半径

一

铸件外半径.模具圆心角一铸件圆心角

图2圆弧铸件及模型示意图

5实验验证

实验模型验证

采用外半径件=1800mm,内半径r件=10001/lnl,

厚度为100ITlnl的消失模圆弧铸件为实验对象,圆心角

=

90.,材质为ZTCr26高铬耐热铸铁.水玻璃砂铸造

工艺.

工艺设计中,线收缩率选定值为K=%,不设

拉筋.

根据本工艺设计方法,模样的圆弧内径r模=r件=

1000mm,线收缩率为0%.

模样的圆弧外径R模=r件+（件一r件）（I+K）=l000+

（1800—1000）（1+%）=1816mm.’

模样的圆心角=×（I+K）=90.×（1+%）=..

根据本工艺设计生产的铸件,经尺寸检验完全符

合图纸要求.

实际铸件生产验证

实例一

2001年秦皇岛某公司生产的圆弧形平衡重,圆心

角180.,材质HT150.工艺设计中,内半径采用了零收

缩率的工艺,首次获得大型圆弧铸件内半径零收缩率

的验证,铸件内半径与模具内半径用同一个样板检验,

获得了完美的一致性.

2001年4月,在65t铁水罐吊架的金属模具制作中,

内半径采用了零线收缩率的工艺,外半径,吊轴端面

尺寸与内半径的差值保留线收缩率,圆弧板的圆心角

按同样的线收缩率值加大.检验铸件时发现,用检验

模具的内半径样板检验铸件完全符合.再次证实了内

半径零收缩率的正确性.内半径零线收缩率的工艺,

终于解决了多年来由于铸钢件吊架弧半径与钢板弧半

径不一致而导致的对接难题.随后,在35t,100t,

140t等所有同类产品中推广该工艺,获得成功.

实例三

2002年1月,某工厂提出解决铁液罐本体（圆弧形

钢结构件）与罐嘴（圆弧形铸钢件）对接不吻合问题.

仔细研究发现,铸钢件罐嘴内半径仅仅中间部位与罐

体形成线接触,远离中间的两端有8111111左右的间隙.

进一步用样板检验发现,罐体曲率半径与图纸相符,

罐嘴铸件内半径大于图纸尺寸,其差值正好等于工艺

选定的收缩差值.换言之,此铸件内半径不应该留收

缩率.采用内半径零线收缩率工艺重新生产后,罐嘴

铸件与罐体实现了完美的符合.至此,多年来罐体与

罐嘴不吻合的问题得到圆满解决.

6结语

实践表明,在制作圆弧铸件的模具时,选择线收

缩率应遵循以下原则.

（1）模具的内半径与铸件内半径采用零线收缩率

（不要留线收缩率）,即r模=r件;

（2）计算模具的外半径时,外半径与内半径的差

值要留收缩率,即R模=rf牛+（尺件一r4~-）（1+K）;

（3）计算模具的圆心角时,要留同样的线收缩率

值,=×（1+K）;

为了方便记忆,总结口诀如下:

内径零,外径差,

角度缩率还要加.

参考文献:

[1]1王建安.金属学与热处理上册【M].北京:

机械工业出版社,

1978:

4.

【2]王建安.金属学与热处理上册[M].北京:

机械工业出版社,

1978:

26.

[3]李魁盛.铸造工艺设计基础【M】.北京:

机械工业出版社,1980:

59

（编辑:

曲学良）