液压支架高性能铸钢件浇注补缩工艺设计.pdf

2 0 1 4年第 1 期 2 0 1 4年2月 铸造设备与工艺 F O U N D R Y E Q U I P ME N T A N D T E C H N O L O G Y F e b ． 2 0 1 4 N o l 铸造工艺 液压支架高性能铸钢件浇注补缩工艺设计 李晓霞 山西平阳重工机械有限责任公司， 山西 侯马0 4 3 0 0 3 摘要 介绍 了高端液压支架铸钢件生产中柱帽常出现的裂纹和缩孔缺陷， 针对存在的问题对高端液压支 架高性能铸钢件结构的特殊性进行了归类， 为该类铸钢件总结了更为合理的浇注补缩工艺。运用热节的系统性 与动态性理论优化原工艺设计方案， 消除了 5 1 铸造缺陷。 关键词 铸钢； 裂纹； 应力集中； 接触热节； 动态顺序凝固 中图分类号 T G 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 6 6 9 4 2 0 1 4 1 0 l 一 0 0 2 6 0 3 铸钢是重要 的工程材料 ， 广泛应用 于国民经济 发展的各个工业部门，在各个行业中占有重要地 位， 但是铸钢熔点高、 收缩率大， 在凝固过程中容易 产生缩孔、 缩松及裂纹等收缩和应力缺陷。液压支 架在煤矿井下使用对安全系数要求很高， 因此在液 压支架的生产过程中， 对底座 、 顶梁中的重要受力 柱窝、柱帽铸钢件的制造工艺提出了很高的要求。 国内高端液压支架的生产 比重正逐步增加 ， 随着支 架采高增加 ， 支护强度增大 ， 液压支架铸钢件柱窝 柱帽的结构尺寸也趋于大型化 ， 大型铸钢件带来了 更为严重的缩孔缺陷和开裂缺陷， 为应对高端液压 支架的大型铸钢件出现上述质量问题 ， 对其结构特 殊性进行了分析 ， 结合原有生产工艺， 制定出针对 性更强、 更为合理的浇注补缩工艺。 1 高端支架柱帽 柱窝 结构分析 柱 帽 材质 z G 3 0 S i M n 是液压支架 的重要受力 件 ， 与立柱柱头相结合 ， 用以承受立柱的支撑力和 来 自 顶板的压力， 柱帽结构见图 1 ， 其设计质量的好 坏直接关 系到支架能否设计成功 ， 因此设计 中必须 保证具有足够的强度与刚度。柱帽结构设计的最终 目的就是在满足给定刚度和强度要求下使柱帽的 重量达到最小『 2 1 。依据柱帽与柱头间的加载方式 ， 在 满足一般强度要求的条件下， 普通液压支架柱帽大 多可设计成空心十字筋结构 ， 选定柱帽外 圆半径 尺， 十字筋厚度 b 共 4条 和十字筋高度 h作为优化结 构设计 的变量 。与普通液压支架不同 ， 高端液压支 架在大采高、超大采高和大的工作阻力要求下， 结 收稿 日期 2 o 1 3 一 l O 一 0 7 作者简介 李晓霞 1 9 7 4 一 ， 女， 工程师。 26 冉 ．．．． ．L一 一 图 1 柱帽结构示意图 构设计 中常出现一些外形尺寸 “ 高大” 和断面尺 寸 特别“ 厚大” 的柱帽 柱窝 ， 其结构特点主要有以下 两种 。 1 十字筋高度 h较大， 且十字筋高厚比h ／ b 较 大的柱帽； 2 十字筋厚度 b较大或底部无减重槽设计 的 柱帽 柱窝 。 生产中结构特殊的铸钢件 ， 其凝固方式、 补缩 方式和工艺方案均存在特殊性 ， 普通支架铸钢件的 工艺方法并不完全适用。 2 高端支架高性能铸钢件缺陷分析 2 ． 1 十字筋高厚比 h ／ b ≥3柱帽的缺陷分析与优化 1 缺陷形成分析 某 高端支架 柱 帽长 7 0 0 mm、高 4 9 5 mm、 重 5 0 3 k g ， 首批 2 O件柱帽抛丸后 ， 在无任何外力的作用 下 ，出现贯穿球窝和十字筋 的穿透性裂纹缺陷 ， 裂 纹从球窝到十字筋底部穿透厚度达 3 0 3 m m ． 对零件 取样进行化学成分分析和机械性能检测， 均在要求 控制范围内。原工艺方案缺陷示意图如图 2所示 。 运用“ 热节系统性与动态性” 『 1 ]研究理论对原工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年第 1 期 李晓霞 液压支架高性能铸钢件浇注补缩工艺设计 铸造 设备 与 工 艺 艺进行分析 ， 揭示穿透性裂纹缺陷产生的原因及其 与铸件结 构设计 的关 系 所谓 “ 热节系统性与动态 性” ， 即铸件浇注以后的冷却凝固过程中， 其“ 热节” H o t s p o t ， 在凝 固过程 中， 铸件 内比周 围金属凝固缓 慢的节点或局部 区域 的位置 、 大小 、 数量随着整个 铸件和铸型系统中的各几何因素 、 物理因素、 工艺 因素的改变而改变。图 2中所示的柱帽十字筋几何 相交 的中心区域 ， 是铸件 的几何热节 ； 工艺 中由于 十字筋上放置 的 2个 冒口形成 的局部高温区域 ， 是 铸件的接触热节； 工艺因素的热效应使十字筋上放 置冒口的筋成为 “ 热筋” ，另一条筋相对成为“ 冷 筋 ” 图 2原工艺缺陷示意图 a 凝固初期， “ 冷筋” 对十字筋中心轴线的几何 热节造成加热作用。十字筋厚度 b 越小， “ 冷筋” 凝 固速度越快 ， 凝 固时间越短 ， 对 十字筋几何热节所 聚集的本来很少的热量导出就越迅速 ， 使十字筋几 何热节变成相对 “ 冷节 ” ， 使十字筋 中心轴线的几何 热节从中心朝向冒口下方的接触热节分隔成为 2 个热节 。 b 凝固后期 ， “ 冷筋 ” 对 十字筋中心轴线的几何 热节造成冷却作用。凝固末期， “ 冷筋” 先行凝固， 受 到两侧热节和冒口凝固收缩拉应力的作用。当收缩 拉应 力大于 “ 冷筋 ” 固相 已形成骨架的液 固混合 态 的极限强度时， “ 冷筋” 在不受任何外力的作用 下产生沿球窝中心的穿透性裂纹缺陷。 c 生产实践证明 十字筋高厚比h ／ b 越大， 热节 分裂越早。当十字筋高厚比h ／ b ≥3 时， 容易产生穿 透性裂纹缺陷。 如某高端支架柱帽十字筋高度 h 2 0 6 m m， 十字筋厚度 b 6 0 m m， 高厚 比 h ／ b 3 ． 4 4 生产中出现 了裂纹 。 2 优化方案 优化原工艺 冒口位置 冒口移至十字筋中间 和数量 由 2个改为 1 个 ， 从而改变工艺因素对铸 件凝固过程 中热节变化和收缩应力分布影响 ， 彻底 消除了热裂纹缺陷。铸造工艺中冒口位置和数量需 根据铸件的几何结构来调整 ， 冒口的位置应减少铸 件应力集中， 减轻对铸件的收缩阻碍， 以免引起热 裂纹缺陷。 2 ． 2 截面特别厚大的柱帽 柱窝 的缩孔缺 陷分析 1 缺陷分析 高端支架从强度角度考虑 ，柱帽十字筋厚度 b 尺寸较大 ， 底部热节直径可达 西1 2 0 m m～ 1 8 0 m m 以上， 还有部分柱帽无十字筋减重槽设计， 底部为 厚大板状 实心结构 如 图 3 ． 这类铸件批量生产 时 冒口根部常产生缩孔缺陷， 严重时返修率高达 7 0 ％ ～ 8 0 ％， 缩沉深度达 5 0 m m～ 8 0 m m ．缩孑 L 缺陷一方 面会使铸件有效承载面积减小， 另一方面易引起应 力集中， 使铸件力学性能降低 ， 后续工艺中采取增 大 冒 口尺寸 的措施 ， 效果不 明显 ， 且增加 了铸件的 非生产性消耗， 使铸件工艺出品率仅 4 0 ％． 根据“ 热节系统性与动态性” 理论 ， 冒口与铸件 相连部位会形成新的接触热节。图 3 为某柱帽工艺， 冒口高度 2 6 0 m m， 冒口颈尺寸 2 1 5 m m1 8 0 m m． 图 3 无减重槽设计的实心板状柱帽 从整个工艺布置上看 a 冒口颈无论安放在正对柱帽大平面的任何 部位 ， 均 容易造成 形热节 ， 同时铸件原有热节 由 于 冒口的安置而加大 即 Rr ． b 按照一般铸钢件顺序凝固理论的设计原则， 铸钢件模数放大 2 0 ％， 就是所需冒口的模数， 但是 由于新 的接触热节的产生 ， 和所有高温金属液流经 冒口颈 的热效应 ， 致使 冒口颈处的实际物理热节远 大于冒口， 最后凝固得不到补缩， 因而出现冒口颈 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m F e b ． 2 0 1 4 №1 铸 造 设 备 与 工 艺 2 0 1 4 年第 1 期 根部的缩孑 L 缺陷。 c 接触热节 尺是随着冒口宽度 日的增大而增 大， 继续增大冒口的体积只能恶化冒口根部的凝固 环境 ，使得铸件浇 冒系统的凝固顺序是 由铸件 一 到 冒口 一 再到冒口颈区域 ，这就是板类结构柱帽批量 生产缩孔缺陷多的主要原因。 底部截面厚大 热节圆直径 西1 2 0 m m 1 8 0 m m 的柱帽在传统顺序凝固理论指导下进行的补缩系 统设计 ， 同样 由于上述原 因造成 冒口颈根部补缩 的 困难。 2 优化方案 “ 动态顺序凝固理论”是由美国通用公司卡赛 博士提出， 在充分诠释热节的系统性 几何热节， 物 理热节 ， 接触热节 和动态凝 固过程等概念 的基础 上形成， 强调了工艺中冒口与铸件的连接原则是不 能造成大的接触热节 ，冒口可以偏离铸件热节 ， 冒 口的模数可以小于或等于铸件几何热节的模数， 利 用朝向冒口的补缩流通效应实现动态顺序凝 固。 据此形成了以下优化方案 原工艺冒口尺寸不 变 ， 将 冒口移至柱 帽的端面 ， 两个铸件共用 1 个 冒 口， 避免 形热节的产生 ； 采用点浇冒 口工艺 ， 强化 铸件 自下而上顺序凝固的温度梯度 ， 充分发挥厚壁 铸件的 “ 自补 ” 作用。经过这样 的改进 ， 柱帽消除了 缩孔缺陷。 3 总结 1 在液压支架的个性化设计下， 不同支架铸钢 件结构构成具有一定的类似性， 但是从铸造工艺设 计的角度分析 ，其实际结构上又存在较大的差异 性 ， 批量快速生产的支架产 品 ， 有必要对生产工艺 进行细化归类。 2 铸件热节是系统的和动态的， 铸件的几何热节 不一定是铸件最后的凝固部位， 铸件最后凝 固的部位 在凝固前期也不一定是铸件的热节。高端液压支架中 结构特殊的铸钢件， 其浇注补缩工艺存在着特殊眭。 3 高端支架铸钢件厚大结构多与性能高要求 ， 动态顺序凝固理论明确铸钢件工艺设计中冒口与 铸件的连结原则是不能造成大的“ 接触热节 ” ， 铸钢 件 冒口可以离开热节 ， 实现动态顺序凝 固， 从理论 和实践上解决 了传统顺序凝 固工艺的不足 ， 有效解 决了高端支架铸钢件的缩孔缺陷问题。 参考文献 [ I ]范金辉， 魏兵， 汪峰． 铸件热节系统性的研究[ J ] _铸造技术， 2 0 0 0 3 2 5 2 8 ． [ 2 ]徐亚军， 蒲宝山， 朱军． 液压支架柱帽的有限元分析及其优化 [ J ] ．煤矿机械， 2 0 0 5 1 0 4 9 5 1 ． [ 3 ]范金辉， 魏兵． 铸钢件冒口离开热节补缩机理的研究[ J ] ．铸造设 备研究 ， 2 0 0 0 1 4 0 ． 上接第 1 4页 图 4远程监控界面 定好液料加入量后， 系统通过 P I D算法对流量作出 自动调整， 从而控制液料加入量在要求的标准范围 内； 具备了无线通信平台的混砂机， 可在移动范围 内与应用层及管理层进行各类 的双向数据交互 ； 远 程监控功能的实现可让技术和管理人员实时了解 现场的生产状况， 出现异常现场能第一时间进行反 馈并及时处理， 同时经过组态的数据和参数可长期 28 保留在数据库中， 方便调用和查看。 此混砂机的物联网开发历时两个月， 其中用到 的物联网关键技术有传感器技术、 工业以太网通信 技术 、 P L C编程技术 、 人机交互技术 ， 二维组态技术 等。通过智能仪表的传感技术采集和感知现场信 息、 依靠工业通信网络传输数据、 由数字化控制系 统进行分析 和决策 、 最终控制执行 系统 ， 在此 过程 中的设备参数、 质量信息、 成本等管理数据均进行 了实时记录、 统计和展示， 从而满足了更高级的管 理需求。 参考文献 [ 1 ] 廖常初． s 7 2 0 0 P L C编程及应用[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7． [ 2 ]王德吉． 西门子工业网络通信技术详解[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ]甄立东． 西门子Wi n c e V 7 基础与应用[ M 3 ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 1 1 ． [ 4 ]胡铮． 物联网[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 1 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m