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        大型鑄鋼件機(jī)架的工藝設(shè)計(jì)探索

        2015-11-16 06:04:18孔少杰于洪巖程德新劉歡
        金屬加工(熱加工) 2015年11期
        關(guān)鍵詞:工藝檢測

        ■ 孔少杰,于洪巖,程德新,劉歡

        軋機(jī)機(jī)架是工作機(jī)座的重要部件,軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機(jī)架上,因此對(duì)機(jī)架的無損檢測要求越來越高,從最初的不檢測或四角檢測,發(fā)展到現(xiàn)在的100%超聲波、磁粉無損檢測,足見該鑄鋼件的重要性。目前軋機(jī)機(jī)架鑄鋼件的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)以西馬克SN3 20-10和J B/T5000.14—2007三級(jí)無損檢測為主,個(gè)別客戶要求JB/T5000.14—2007二級(jí)無損檢測。本文針對(duì)我公司為國內(nèi)某大型重工集團(tuán)生產(chǎn)的大型鑄鋼件機(jī)架的工藝設(shè)計(jì)方案過程為例進(jìn)行論述。

        1. 機(jī)架的情況

        (1)機(jī)架的結(jié)構(gòu)機(jī)架的結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 屬于厚大截面, 補(bǔ)縮距離超長的鑄鋼件。 輪廓尺寸為10095mm×4800mm×1800mm,其中立柱截面尺寸約為900mm ×800mm,圖樣凈重為157t,毛重185t。

        (2)技術(shù)要求 成分與性能要求如表1、表2所示。鑄件質(zhì)量要求10 0%進(jìn)行無損檢測,包括磁粉和超聲波檢測,驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照西馬克SN320-10執(zhí)行。

        鑄件采用DI N10293中的GS-45N。其中化學(xué)成分需要滿足表1要求,力學(xué)性能需要滿足表2要求。

        圖 1

        圖 2

        表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

        表2 力學(xué)性能

        2. 鑄造工藝方案

        針對(duì)該鑄件結(jié)構(gòu),采用4個(gè)明冒口,冒口之間采用外冷鐵激冷,形成人為末端區(qū),將鑄鋼件劃分成4個(gè)區(qū)域,使4個(gè)明冒口分別補(bǔ)縮各自區(qū)域。考慮到地腳凸出較高,增設(shè)兩個(gè)小冒口補(bǔ)縮地腳。冒口和冷鐵方案如圖2所示。

        (1)基本工藝參數(shù) 鑄件的加工量和收縮率是鑄造工藝設(shè)計(jì)的基本工藝參數(shù),選擇得是否合理對(duì)鑄件加工量和后續(xù)加工工時(shí)等有很大影響,因此合理選擇能夠較大地降低生產(chǎn)制造成本。

        按工藝設(shè)計(jì)規(guī)范,收縮率的選擇是根據(jù)鑄件的最大尺寸而定,這就造成只有一個(gè)縮尺,而根據(jù)我公司多年實(shí)際生產(chǎn)的機(jī)架類鑄鋼件測量情況分析,長度、寬度方向?qū)嶋H收縮是不一樣的,尤其是窗口內(nèi)的收縮不同。因此我們選擇了三個(gè)不同收縮率的鑄造工藝參數(shù),分別為2%、1.5%、1.0%。這樣在加工量選擇上,就可以避免舊工藝通過加大加工量來補(bǔ)償實(shí)際收縮和工藝收縮率之間的偏差,按實(shí)際條件放置加工量,從而有效減小加工量,節(jié)約鋼液和機(jī)加工工時(shí),降低生產(chǎn)成本。通過優(yōu)化,使該類機(jī)架的加工量系數(shù)降低了5個(gè)百分點(diǎn),由于鑄件噸位較大,每件可直接節(jié)約鋼液8.11t。

        (2)鑄件模數(shù)的計(jì)算和冒口的選擇 如圖2所示,根據(jù)立柱上冒口的補(bǔ)縮距離,確定冷鐵的位置后,將鑄件分成4部分(見圖2)。

        地腳側(cè)下梁部分模數(shù):

        M下=27.2cm

        兩個(gè)立柱部分模數(shù):

        M中=21.2cm

        上梁部分模數(shù):

        M上=26.8cm

        按照冒口的模數(shù)與鑄鋼件模數(shù)的比計(jì)算,M冒=1.2 M件,所需要的冒口模數(shù)分別為32.64cm、25.44cm、32.16cm。再考慮到選用的發(fā)熱保溫冒口,參考模數(shù)和保溫系數(shù),選擇冒口直徑分別為φ 1700mm、φ 1300mm、φ1600mm,冒口澆注高度2000mm。

        用模數(shù)法計(jì)算出的冒口,只說明冒口晚于鑄件凝固,冒口下沒有縮孔,不能說明冒口是否足夠補(bǔ)縮整個(gè)鑄件,如果冒口的有效容積不足以補(bǔ)縮整個(gè)鑄件或冒口分布不合理,那么在離冒口較遠(yuǎn)的部位還可能出現(xiàn)縮孔、縮松。因此,用模數(shù)法算出的冒口還必須用鑄件所需補(bǔ)給量驗(yàn)算冒口尺寸的方法進(jìn)行驗(yàn)算。如果不能滿足要求,就需要增加冒口尺寸或增加冒口數(shù)量,直至能保證獲得致密鑄件為止。因此,根據(jù)4個(gè)部分需要補(bǔ)縮的液量驗(yàn)證冒口大小,是否滿足補(bǔ)縮液量。

        根據(jù)公式:

        V縮=S(V件+V冒)

        V件=(V縮-V冒)/S

        用V縮=ηV冒代入,

        V件(最大)=V冒(η-S)/S

        同理,G件(最大)=G冒(η-S)/S

        式中 η——鑄件冒口的補(bǔ)縮效率;

        S——凝固收縮值;

        V——體積;

        G——重量。

        通過查詢資料獲得該種材質(zhì)的凝固收縮值S=4.2,冒口補(bǔ)縮效率η=14%,可計(jì)算出3種規(guī)格冒口安全系數(shù)分別為1.3、1.8、1.9,滿足冒口設(shè)計(jì)要求。

        (3)冷鐵的選擇 將直接外冷鐵改用掛砂外冷鐵(見圖2),避免了直接外冷鐵激冷產(chǎn)生裂紋缺陷。立柱上激冷掛砂外冷鐵的厚度選擇為立柱寬度的2/3左右,以達(dá)到快速形成孤立液相區(qū)的目的??紤]到地腳和上下梁處較厚大,采用了掛砂外冷鐵激冷的方法,降低鑄件模數(shù),增加冒口補(bǔ)縮效果。

        (4)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 對(duì)于鑄鋼件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì),必須滿足3個(gè)要求:①開放式澆注系統(tǒng)。②適宜的金屬液上升速度。③合理的澆注位置。

        而其中對(duì)于機(jī)架類鑄件合理的澆注位置尤為重要。從溫度場的分布分析,鋼液進(jìn)入型腔的位置在澆注完畢時(shí)溫度最高,凝固時(shí)間最長,因此內(nèi)澆口一定要選擇遠(yuǎn)離立柱上激冷掛砂外冷鐵部位,靠近冒口下,從而形成順序凝固,利于冒口補(bǔ)縮。因此,必須避免以往造型過程中內(nèi)澆口隨意放置的情況。

        對(duì)于較大冒口,為了提高冒口的補(bǔ)縮效率,也為了減小冒口在凝固過程中成分的偏析,尤其是C、S、P等元素的偏析,我們采用了高溫低牌號(hào)鋼對(duì)冒口多次補(bǔ)澆的澆注方案。

        (5)澆注溫度的選擇 由于該機(jī)架屬于厚大截面鑄鋼件,在澆注溫度控制表中查找該材質(zhì)的澆注溫度,選擇其中下限1540~1560℃。而補(bǔ)澆要求高溫低牌號(hào),所以選擇溫度控制到1590~1600℃。

        3. 計(jì)算機(jī)模擬仿真

        我公司采用的是華中科技大學(xué)研發(fā)的華鑄CAE/Inte Cast集成系統(tǒng)模擬軟件,是以鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對(duì)鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析,預(yù)測實(shí)際生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)缺陷的類型和位置,從而對(duì)鑄造工藝進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)和優(yōu)化,以達(dá)到良好的鑄件質(zhì)量。該機(jī)架主要是通過對(duì)鑄件的凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬,通過對(duì)凝固過程中液態(tài)的變化和定量縮孔、縮松的分析判斷,驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)方案是否合理。

        (1)模擬參數(shù)的選擇 剖分網(wǎng)格大?。?0mm;型腔選用砂型:水玻璃砂造型;澆注溫度:1560℃;材質(zhì):GS-45N。

        (2)模擬結(jié)果分析 圖3是計(jì)算機(jī)模擬仿真凝固過程液態(tài)變化和定量縮松、縮孔的幾幅片段圖片。

        從凝固過程中液相區(qū)的變化來分析,基本符合工藝設(shè)想的情況。在凝固到29730s時(shí)(見圖3b),從立柱激冷掛砂外冷鐵處液相區(qū)分開,形成單個(gè)冒口補(bǔ)縮的孤立液相區(qū);凝固到158 438s時(shí)(見圖3f),液相全部消失,凝固完成。

        圖4 為最終凝固后定量縮松、縮孔結(jié)果,從圖中可以看出,鑄件本體無缺陷,縮孔、縮松都集中在冒口內(nèi),符合鑄造工藝設(shè)計(jì)。

        4. 鑄件檢驗(yàn)結(jié)果

        (1)理化檢驗(yàn) 機(jī)架熱處理后取本體試塊進(jìn)行試驗(yàn),主要進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能檢驗(yàn),其結(jié)果分別如表3、表4所示。

        (2)磁粉檢測 磁粉檢測是檢測鑄件表面質(zhì)量的重要方法之一。在機(jī)架粗加工后,對(duì)鑄件進(jìn)行10 0%磁粉檢測,尤其是針對(duì)以往容易出現(xiàn)裂紋缺陷的圓角、外冷鐵部位及冒口下成分偏析部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測,檢測結(jié)果無裂紋出現(xiàn),滿足客戶要求。

        (3)超聲波檢測 超聲波檢測是檢測鑄件內(nèi)部質(zhì)量的重要方法之一。軋機(jī)機(jī)架能否通過超聲波檢測是驗(yàn)證該鑄造工藝是否成功的關(guān)鍵,在粗加工后對(duì)機(jī)架的所有加工表面按照客戶要求的SN320-10標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了檢測,沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、縮松、縮孔等缺陷,特別是易產(chǎn)生超聲波缺陷的冒口下和冒口之間的人為末端區(qū),沒有發(fā)現(xiàn)超聲波缺陷,通過了客戶的無損檢測要求。

        表3 機(jī)架實(shí)測化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表4 機(jī)架實(shí)測力學(xué)性能

        圖 3

        5. 結(jié)語

        經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明,通過基本鑄造參數(shù)的合理選取,合理設(shè)計(jì)掛砂外冷鐵和冒口,選擇適當(dāng)?shù)臐沧⑾到y(tǒng)和澆注方法,能夠在保證無損檢測的前提下,減小鑄件的加工量系數(shù),提高鑄件工藝出品率,降低成本。相比同行業(yè)其他企業(yè)加工量系數(shù)降低5個(gè)百分點(diǎn)以上,鑄件工藝出品率提高6~8個(gè)百分點(diǎn),為后期大型軋機(jī)機(jī)架的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

        圖4 鑄件定量縮松縮孔

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