高端液壓支架高性能鑄鋼件澆注補(bǔ)縮工藝

高端液壓支架高性能鑄鋼件澆注補(bǔ)縮工藝

鑄造鋼是一種重要的工程材料，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各部門，在各行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。然而，鑄造鋼的特點(diǎn)是高固收率高，在硬化過(guò)程中容易出現(xiàn)收縮孔、收縮松樹(shù)和裂縫等收縮和應(yīng)力缺陷。液壓支架在煤礦井下使用對(duì)安全系數(shù)要求很高,因此在液壓支架的生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)底座、頂梁中的重要受力柱窩、柱帽鑄鋼件的制造工藝提出了很高的要求。國(guó)內(nèi)高端液壓支架的生產(chǎn)比重正逐步增加,隨著支架采高增加,支護(hù)強(qiáng)度增大,液壓支架鑄鋼件柱窩柱帽的結(jié)構(gòu)尺寸也趨于大型化,大型鑄鋼件帶來(lái)了更為嚴(yán)重的縮孔缺陷和開(kāi)裂缺陷,為應(yīng)對(duì)高端液壓支架的大型鑄鋼件出現(xiàn)上述質(zhì)量問(wèn)題,對(duì)其結(jié)構(gòu)特殊性進(jìn)行了分析,結(jié)合原有生產(chǎn)工藝,制定出針對(duì)性更強(qiáng)、更為合理的澆注補(bǔ)縮工藝。1柱帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柱帽(材質(zhì)ZG30SiMn)是液壓支架的重要受力件,與立柱柱頭相結(jié)合,用以承受立柱的支撐力和來(lái)自頂板的壓力,柱帽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到支架能否設(shè)計(jì)成功,因此設(shè)計(jì)中必須保證具有足夠的強(qiáng)度與剛度。柱帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的就是在滿足給定剛度和強(qiáng)度要求下使柱帽的重量達(dá)到最小。依據(jù)柱帽與柱頭間的加載方式,在滿足一般強(qiáng)度要求的條件下,普通液壓支架柱帽大多可設(shè)計(jì)成空心十字筋結(jié)構(gòu),選定柱帽外圓半徑R,十字筋厚度b(共4條)和十字筋高度h作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變量。與普通液壓支架不同,高端液壓支架在大采高、超大采高和大的工作阻力要求下,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)一些外形尺寸“高大”和斷面尺寸特別“厚大”的柱帽(柱窩),其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有以下兩種。1)十字筋高度h較大,且十字筋高厚比h/b較大的柱帽;2)十字筋厚度b較大或底部無(wú)減重槽設(shè)計(jì)的柱帽(柱窩)。生產(chǎn)中結(jié)構(gòu)特殊的鑄鋼件,其凝固方式、補(bǔ)縮方式和工藝方案均存在特殊性,普通支架鑄鋼件的工藝方法并不完全適用。2高端支架的高性能鑄造件的缺陷分析2.1也有可能導(dǎo)致熒光缺陷的缺陷,這也是熱節(jié)某高端支架柱帽長(zhǎng)700mm、高495mm、重503kg,首批20件柱帽拋丸后,在無(wú)任何外力的作用下,出現(xiàn)貫穿球窩和十字筋的穿透性裂紋缺陷,裂紋從球窩到十字筋底部穿透厚度達(dá)303mm.對(duì)零件取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和機(jī)械性能檢測(cè),均在要求控制范圍內(nèi)。原工藝方案缺陷示意圖如圖2所示。運(yùn)用“熱節(jié)系統(tǒng)性與動(dòng)態(tài)性”研究理論對(duì)原工藝進(jìn)行分析,揭示穿透性裂紋缺陷產(chǎn)生的原因及其與鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系:所謂“熱節(jié)系統(tǒng)性與動(dòng)態(tài)性”,即鑄件澆注以后的冷卻凝固過(guò)程中,其“熱節(jié)”(Hotspot,在凝固過(guò)程中,鑄件內(nèi)比周圍金屬凝固緩慢的節(jié)點(diǎn)或局部區(qū)域)的位置、大小、數(shù)量隨著整個(gè)鑄件和鑄型系統(tǒng)中的各幾何因素、物理因素、工藝因素的改變而改變。圖2中所示的柱帽十字筋幾何相交的中心區(qū)域,是鑄件的幾何熱節(jié);工藝中由于十字筋上放置的2個(gè)冒口形成的局部高溫區(qū)域,是鑄件的接觸熱節(jié);工藝因素的熱效應(yīng)使十字筋上放置冒口的筋成為“熱筋”,另一條筋相對(duì)成為“冷筋”:a)凝固初期,“冷筋”對(duì)十字筋中心軸線的幾何熱節(jié)造成加熱作用。十字筋厚度b越小,“冷筋”凝固速度越快,凝固時(shí)間越短,對(duì)十字筋幾何熱節(jié)所聚集的本來(lái)很少的熱量導(dǎo)出就越迅速,使十字筋幾何熱節(jié)變成相對(duì)“冷節(jié)”,使十字筋中心軸線的幾何熱節(jié)從中心朝向冒口下方的接觸熱節(jié)分隔成為2個(gè)熱節(jié)。b)凝固后期,“冷筋”對(duì)十字筋中心軸線的幾何熱節(jié)造成冷卻作用。凝固末期,“冷筋”先行凝固,受到兩側(cè)熱節(jié)和冒口凝固收縮拉應(yīng)力的作用。當(dāng)收縮拉應(yīng)力大于“冷筋”(固相已形成骨架的液固混合態(tài))的極限強(qiáng)度時(shí),“冷筋”在不受任何外力的作用下產(chǎn)生沿球窩中心的穿透性裂紋缺陷。c)生產(chǎn)實(shí)踐證明:十字筋高厚比h/b越大,熱節(jié)分裂越早。當(dāng)十字筋高厚比h/b≥3時(shí),容易產(chǎn)生穿透性裂紋缺陷。(如某高端支架柱帽十字筋高度h=206mm,十字筋厚度b=60mm,高厚比h/b≈3.44生產(chǎn)中出現(xiàn)了裂紋)。2改變工藝因素優(yōu)化原工藝冒口位置(冒口移至十字筋中間)和數(shù)量(由2個(gè)改為1個(gè)),從而改變工藝因素對(duì)鑄件凝固過(guò)程中熱節(jié)變化和收縮應(yīng)力分布影響,徹底消除了熱裂紋缺陷。鑄造工藝中冒口位置和數(shù)量需根據(jù)鑄件的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整,冒口的位置應(yīng)減少鑄件應(yīng)力集中,減輕對(duì)鑄件的收縮阻礙,以免引起熱裂紋缺陷。2.2鑄造工藝的設(shè)計(jì)及結(jié)果高端支架從強(qiáng)度角度考慮,柱帽十字筋厚度b尺寸較大,底部熱節(jié)直徑可達(dá)φ120mm~φ180mm以上,還有部分柱帽無(wú)十字筋減重槽設(shè)計(jì),底部為厚大板狀實(shí)心結(jié)構(gòu)(如圖3).這類鑄件批量生產(chǎn)時(shí)冒口根部常產(chǎn)生縮孔缺陷,嚴(yán)重時(shí)返修率高達(dá)70%~80%,縮沉深度達(dá)50mm~80mm.縮孔缺陷一方面會(huì)使鑄件有效承載面積減小,另一方面易引起應(yīng)力集中,使鑄件力學(xué)性能降低,后續(xù)工藝中采取增大冒口尺寸的措施,效果不明顯,且增加了鑄件的非生產(chǎn)性消耗,使鑄件工藝出品率僅40%.根據(jù)“熱節(jié)系統(tǒng)性與動(dòng)態(tài)性”理論,冒口與鑄件相連部位會(huì)形成新的接觸熱節(jié)。圖3為某柱帽工藝,冒口高度260mm,冒口頸尺寸215mm×180mm.從整個(gè)工藝布置上看:a)冒口頸無(wú)論安放在正對(duì)柱帽大平面的任何部位,均容易造成T形熱節(jié),同時(shí)鑄件原有熱節(jié)由于冒口的安置而加大(即R>r).b)按照一般鑄鋼件順序凝固理論的設(shè)計(jì)原則,鑄鋼件模數(shù)放大20%,就是所需冒口的模數(shù),但是由于新的接觸熱節(jié)的產(chǎn)生,和所有高溫金屬液流經(jīng)冒口頸的熱效應(yīng),致使冒口頸處的實(shí)際物理熱節(jié)遠(yuǎn)大于冒口,最后凝固得不到補(bǔ)縮,因而出現(xiàn)冒口頸根部的縮孔缺陷。c)接觸熱節(jié)R是隨著冒口寬度B的增大而增大,繼續(xù)增大冒口的體積只能惡化冒口根部的凝固環(huán)境,使得鑄件澆冒系統(tǒng)的凝固順序是由鑄件-到冒口-再到冒口頸區(qū)域,這就是板類結(jié)構(gòu)柱帽批量生產(chǎn)縮孔缺陷多的主要原因。底部截面厚大(熱節(jié)圓直徑φ120mm~φ180mm)的柱帽在傳統(tǒng)順序凝固理論指導(dǎo)下進(jìn)行的補(bǔ)縮系統(tǒng)設(shè)計(jì),同樣由于上述原因造成冒口頸根部補(bǔ)縮的困難。2點(diǎn)澆冒口工藝優(yōu)化“動(dòng)態(tài)順序凝固理論”是由美國(guó)通用公司卡賽博士提出,在充分詮釋熱節(jié)的系統(tǒng)性(幾何熱節(jié),物理熱節(jié),接觸熱節(jié))和動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程等概念的基礎(chǔ)上形成,強(qiáng)調(diào)了工藝中冒口與鑄件的連接原則是不能造成大的接觸熱節(jié),冒口可以偏離鑄件熱節(jié),冒口的模數(shù)可以小于或等于鑄件幾何熱節(jié)的模數(shù),利用朝向冒口的補(bǔ)縮流通效應(yīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)順序凝固。據(jù)此形成了以下優(yōu)化方案:原工藝冒口尺寸不變,將冒口移至柱帽的端面,兩個(gè)鑄件共用1個(gè)冒口,避免T形熱節(jié)的產(chǎn)生;采用點(diǎn)澆冒口工藝,強(qiáng)化鑄件自下而上順序凝固的溫度梯度,充分發(fā)揮厚壁鑄件的“自補(bǔ)”作用。經(jīng)過(guò)這樣的改進(jìn),柱帽消除了縮孔缺陷。3澆注補(bǔ)縮工藝產(chǎn)品對(duì)國(guó)外生產(chǎn)工藝的啟示1)在液壓支架的個(gè)性化設(shè)計(jì)下,不同支架鑄鋼件結(jié)構(gòu)構(gòu)成具有一定的類似性,但是從鑄造工藝設(shè)計(jì)的角度分析,其實(shí)際結(jié)構(gòu)上又存在較大的差異性,批量快速生產(chǎn)的支架產(chǎn)品,有必要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行細(xì)化歸類。2)鑄件熱節(jié)是系統(tǒng)的和動(dòng)態(tài)的,鑄件的幾何熱節(jié)不一定是鑄件最后的凝固部位,鑄件最后凝固的部位在凝固前期也不一定是鑄件的熱節(jié)。高端液壓支架中結(jié)構(gòu)特殊的鑄鋼件,其澆注