焊接件和鑄件的比較.doc

焊接件和鑄件的比較隨著工業(yè)的發(fā)展，尤其是制造業(yè)的發(fā)展，大量的焊接結(jié)構(gòu)件取代了傳統(tǒng)的鑄件結(jié)構(gòu)件，其原因是：焊接結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)周期短、重量輕、所需設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單（不需木模制作、不需熔煉設(shè)備）、改型快等優(yōu)點(diǎn)，深受制造商的青睞。因此，有較多的機(jī)床制造商尤其是歐美等先進(jìn)國(guó)家的機(jī)床制造商更是逐步以焊接件取代了大部分的鑄鐵件，例如床身、龍門、橫樑、滑枕等等。這與傳統(tǒng)觀念出入很大，那么，究竟是哪一種構(gòu)件更好呢？以下我們作一簡(jiǎn)單比較：1，剛性作為機(jī)床上的結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，往往要承受較大的載荷，以龍門加工中心的橫樑為例，橫樑要同時(shí)承受重力、拉力、扭力等等，為了減少變形，要求橫樑有較好的剛度。焊接件所用材料為碳鋼，其彈性模量和力學(xué)性能大大優(yōu)于鑄件所用的鑄鐵材料，大家知道，彈性模量E=/，現(xiàn)在我們假定應(yīng)力相同，那么E大，則材料產(chǎn)生的應(yīng)變就小。也就是說(shuō)在受力相同的情況下，我們可以把橫樑的橫截面做得更小一些，由于橫樑的跨度較大，所以減小截面所減輕的重量是相當(dāng)可觀的，重量減輕了，橫樑的下垂量也就減小了，所以說(shuō)，使用焊接件在保證機(jī)床剛性的同時(shí)，也保證了機(jī)床的靜態(tài)幾何精度。2，避免共振由于焊接件所用材料E值較大，因此，在同樣的載荷作用下，焊接件的靜剛度比較大。這有什么好處呢？在受迫振動(dòng)時(shí)，提高物體的靜剛度可以降低物體的振幅，還可以提高物體的固有頻率，從而減少或避免共振的發(fā)生。對(duì)自激振動(dòng)，提高靜剛度可以提高自激振動(dòng)穩(wěn)定性的極限。由于碳鋼材料的彈性模量和力學(xué)性能大于鑄鐵材料，所以在剛度相同的前提下，焊接件重量可以比鑄件輕許多（相同剛度的焊接件的重量?jī)H為鑄件重量的60%），眾所周知，物體的固有頻率的公式為=K/M ,(固有頻率，K剛度，M質(zhì)量)，所以，減輕重量即減小質(zhì)量M,使固有頻率得以提高，共振發(fā)生的概率降低或避免，設(shè)計(jì)合理的焊接件的固有頻率可以比鑄件高50%。3，吸振性傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為：鑄鐵件的吸振性能優(yōu)于焊接件，其實(shí)不然。如果是形狀簡(jiǎn)單的尺寸相同的兩種不同材料的單體譬如一段圓柱體的鑄鐵件和碳鋼件，那么毫無(wú)疑問，鑄鐵件吸振性能大大優(yōu)于碳鋼件，因?yàn)殍T鐵的內(nèi)阻尼比碳鋼平均高出3.2倍。但是，橫樑不是簡(jiǎn)單的一塊碳鋼件，而是由科學(xué)布局的筋板和主板構(gòu)成的結(jié)構(gòu)件，其內(nèi)阻尼主要來(lái)自于結(jié)構(gòu)件結(jié)合面（焊接面）間的摩擦，而不是材料的內(nèi)阻尼，材料本身的內(nèi)阻尼在此是微乎其微的，構(gòu)件結(jié)合面之間的摩擦阻尼占全部?jī)?nèi)阻尼的90%，所以，在一般情況下，焊接件的吸振性能與鑄鐵件相差無(wú)幾，而象歐美和日本等先進(jìn)國(guó)家，通過FEM有限元分析法，科學(xué)計(jì)算，合理布局，這樣的結(jié)構(gòu)件吸振阻尼甚至高出鑄鐵件許多，當(dāng)然，其吸振性能也就優(yōu)于鑄鐵件。4, 殘余應(yīng)力和時(shí)效處理1 殘余應(yīng)力的形成無(wú)外力影響的零件放久了也會(huì)產(chǎn)生變形，這主要是由殘留在零件內(nèi)的應(yīng)力也就是我們常說(shuō)的殘余應(yīng)力作祟。一般來(lái)說(shuō)鑄鐵件的內(nèi)應(yīng)力比焊接件的內(nèi)應(yīng)力要小，經(jīng)過時(shí)效處理的鑄鐵件的殘余應(yīng)力就更小了，在其后使用過程中產(chǎn)生的變形也就小，這就是為什么鑄鐵件的床身、立柱等大件能長(zhǎng)期保持良好的精度，究其原因，是因?yàn)殍T鐵件內(nèi)部是由鐵素體和大量的石墨構(gòu)成，由于石墨尖端的松弛，造成殘余應(yīng)力很小。而焊接件在焊接的過程中產(chǎn)生的應(yīng)力是非常大的，焊接剛開始時(shí)，焊縫處迅速升溫，周圍區(qū)域溫度較低，阻礙焊縫的迅速膨脹，焊縫受到壓應(yīng)力。焊接過程結(jié)束，焊接件開始冷卻，等過了塑性變形的溫度，由于焊縫與周圍區(qū)域的冷卻速度不一致，焊縫開始受到拉應(yīng)力，直至室溫。此時(shí)焊縫處材料所受的拉應(yīng)力幾近材料的屈服極限，如果不及時(shí)進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的處理，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生開裂或變形的后果。時(shí)效處理時(shí)效凡是能降低殘余應(yīng)力，使工件尺寸精度穩(wěn)定的方法都叫時(shí)效。常用時(shí)效方法有自然時(shí)效、熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效等等。自然時(shí)效是最古老的時(shí)效方法。它是把構(gòu)件露天放置于室外，經(jīng)過幾個(gè)月至幾年的風(fēng)吹. 日曬.雨淋.和季節(jié)的溫度變化，促使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛而使尺寸精度獲得穩(wěn)定。自然時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性好，方法簡(jiǎn)單易行，綠色環(huán)保。缺點(diǎn)是：生產(chǎn)周期長(zhǎng)，占用場(chǎng)地大，不易管理，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)的缺陷，已逐漸被淘汰。熱時(shí)效將構(gòu)件由室溫緩慢、均勻加熱至550左右，保溫4-8小時(shí)，再嚴(yán)格控制降溫速度至150以下出爐。 熱時(shí)效工藝要求是嚴(yán)格的，如要求爐內(nèi)溫差不大于25，升溫速度不大于50/小時(shí)，降溫速度不大于20/小時(shí)。爐內(nèi)最高溫度不許超過570，保溫時(shí)間也不易過長(zhǎng)，如果溫度高于570，保溫時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)引起構(gòu)件強(qiáng)度降低。如果升溫速度過快，構(gòu)件在升溫中薄壁處升溫速度比厚壁處快的多，構(gòu)件各部分的溫差急劇增大，會(huì)造成附加溫度應(yīng)力。如果附加應(yīng)力與構(gòu)件本身的殘余應(yīng)力疊加超過強(qiáng)度極限，就會(huì)造成構(gòu)件開裂。熱時(shí)效如果降溫不當(dāng)，會(huì)使時(shí)效效果大為降低，甚至產(chǎn)生與原殘余應(yīng)力相同的溫度應(yīng)力(二次應(yīng)力)，并殘留在構(gòu)件中，從而破壞了已取得的熱時(shí)效效果。 熱時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)是：周期短、構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性較好、便于管理。缺點(diǎn)是：一次性投資大、能耗高、成本高、溫度難以控制、勞動(dòng)強(qiáng)度高、環(huán)境污染嚴(yán)重。所以逐步被振動(dòng)時(shí)效取代。 振動(dòng)時(shí)效振動(dòng)時(shí)效是錘擊松弛法(敲擊時(shí)效)的發(fā)展?？捎媚惧N.橡皮錘.紫銅錘等，敲構(gòu)件的合適部位，可激起構(gòu)件共振。如用拾振器.測(cè)振儀和光線示波器可記錄下構(gòu)件作自由衰減振動(dòng)的振型。錘擊松弛法是給工件一個(gè)沖擊力，擊起工件的響應(yīng)，工件以自己的固有頻率和迅速衰減的振幅作減幅振動(dòng)。敲擊后的最初振幅大，在構(gòu)件內(nèi)引起的振動(dòng)力也大。這一振動(dòng)力 多次反復(fù)作用，當(dāng)它與殘余應(yīng)力迭加時(shí) ，在應(yīng)力集中處超過材料的屈服極限.,引起局部塑性變形，松弛了應(yīng)力，使應(yīng)力峰值降低。振動(dòng)時(shí)效，在國(guó)外稱之為V.S.R技術(shù)，它是Vibratory Stress Reliele的縮寫。它是在激振器的周期性外力(激振力 )的作用下，使構(gòu)件共振，進(jìn)而松弛殘余應(yīng)力，提高構(gòu)件的松弛剛度，使其尺寸穩(wěn)定的方法。振動(dòng)時(shí)效是熱時(shí)效的補(bǔ)充和發(fā)展，可在很大范圍內(nèi)代替熱時(shí)效。歐美等先進(jìn)國(guó)家依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行FEM有限元分析，配以先進(jìn)的測(cè)振儀器，使振動(dòng)時(shí)效達(dá)到完美的境界。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為振動(dòng)時(shí)效不徹底，認(rèn)為焊接件容易變形，通過以上分析應(yīng)該有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。需要特別注意的是，目前，國(guó)內(nèi)的制造水平與國(guó)外知名制造商比較，還是有較大的差距，所以，選購(gòu)國(guó)內(nèi)制造的機(jī)床，還是鑄鐵件比較可靠，除非該制造商確實(shí)掌握了焊接件消除內(nèi)應(yīng)力