王武孝， 張忠明， 劉東杰， 鄒軍濤， 張忠義

(西安理工大學 材料科學與工程學院,西安 710048)

0 引 言

鑄造是一種應用最廣泛的材料成型方法，是將液態(tài)合金澆注到與零件形狀相適應的鑄型空腔中，待其冷卻凝固后，獲得零件或毛坯的方法。在各類設備中鑄件所占的比例很大，如機床、內燃機中，鑄件占機器總重的70%～80%，農業(yè)機械占40%～70%[1-3]。

但在鑄造成型過程中，因鑄件合金種類、成分、結構(薄厚不均)及鑄造工藝設計等因素的影響，造成鑄件成品率及工藝出品率低，使得鑄件成本提高。這是由鑄造應力造成的，鑄造應力在鑄件凝固過程中產生，經過鑄件開箱、落砂也不會消除，直到鑄件冷卻至室溫依然存在。凝固過程中鑄造應力的存在使鑄件在實際承受載荷時容易萌生裂紋，且都發(fā)生在鑄件應力集中的地方，在鑄件存放、搬運、加工過程中將造成鑄件因鑄造應力開裂而報廢[4-5]。

國內目前還沒有定型的鑄造應力測試儀器，慣用方法是用應力框來進行鑄造應力測定，而應力框只能測定靜態(tài)情況下的應力狀況，無法反映鑄造應力產生的動態(tài)過程，因此準確測定鑄件凝固過程中鑄造應力動態(tài)變化具有十分重要的意義。本文利用自制的智能濕砂型鑄造應力儀對鑄造應力和溫度變化進行測試，實現(xiàn)人工濕砂型造型、數(shù)據(jù)自動采集、軟件中央數(shù)據(jù)處理與網絡結果傳輸?shù)裙δ堋Ｍㄟ^實驗過程可以培養(yǎng)學生的實驗設計能力、實驗數(shù)據(jù)處理能力以及實驗協(xié)作能力，從而達到工程教育認證對畢業(yè)生的部分要求。

1 鑄造應力測試方法

將液態(tài)合金澆入鑄型，從澆注溫度冷卻至室溫需經過液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮3個階段[6-7]。鑄件在凝固過程中，固態(tài)凝固受到阻礙，鑄件內部會產生內應力，產生這種應力的原因被消除時，鑄造應力消失，被稱為臨時鑄造應力；當產生這種應力的原因被消除而鑄造應力依然存在時，被稱為殘余鑄造應力[8-10]。

殘余鑄造應力的測定方法可分為機械測定法和物理測定法[11-12]。在實踐教學環(huán)節(jié)中，測試合金的鑄造應力所采用的方法通常是先澆注應力框，其結構簡圖如圖1所示。用應力框測定鑄造應力是屬于機械測定法中最簡便的一種方法，其基本原理是把鑄件(或應力框試樣)用一定方法進行分割，殘余應力被局部釋放，從而破壞了鑄件內部存在的相互平衡的應力，使鑄件(或應力框試樣)產生變形，然后測定這時的變形量，再應用彈性力學有關公示求出鑄件內的殘余應力。這樣算出的殘余應力數(shù)值只能反映靜態(tài)殘余應力，并不知道應力何時產生，應力產生的動態(tài)變化趨勢及曲線。

圖1 應力框結構簡圖

2 智能鑄造合金應力儀的設計

智能鑄造合金應力儀具備動態(tài)應力自動測量、記錄、存儲等功能，把鑄造應力產生的瞬間、變化趨勢用曲線的形式記錄、存儲，供后續(xù)研究、分析使用，使鑄造工藝制定更具科學性，儀器設計模塊如圖2所示。

圖2 智能應力儀模塊圖

對鑄件進行鑄造工藝設計時，需要了解鑄件不同部位的應力分布及大小，就必須對金屬從高溫冷卻到室溫的應力變化進行了解。由于凝固過程中鑄件的冷卻速度不同，且在同一時間內鑄件不同部位的收縮情況也不同，故造成的鑄造應力也有差異。智能應力儀設計以圖1的應力框為參考，應力框試樣是兩側細桿和中間粗桿并用剛性橫梁連成一體的框形鑄件，由于桿Ⅰ截面大，冷卻較慢；而桿Ⅱ截面小，冷卻較快，但兩者又連成一個整體，收縮時必然相互制約而產生阻礙，形成熱應力[13-14]，當拉應力超過鑄件的抗拉強度時，粗桿就會斷裂。

為了達到儀器易拆裝、鑄造應力測試便捷的目的，智能應力儀設計時，應力框應做成剛性框架，且開合方便?；谶@樣的思路，把圖1所示的應力框沿AB線方向鋸斷，使應力框一分為二，左邊為E字型，右邊為反E字型，3個測桿端部分別裝上連接螺母及測頭螺釘。另外反E字型由鑄造模板、專用砂箱造型完成，E字型3個測頭螺釘伸向反E字型型腔，連接靠螺栓鑄接。當液態(tài)合金充滿鑄型后，與儀器連接螺母上的測頭螺釘鑄接。使得儀器與反E字型試樣構成了封閉的應力框。由于應力框試樣兩側桿比中間桿細，在凝固初始階段，應力框試樣兩側細桿冷卻快、受拉應力，應力框試樣中間粗桿受壓應力;凝固后期，應力框試樣中間粗桿開始凝固收縮，細桿已經凝固完畢,進入彈性階段，所以粗桿所受力轉變?yōu)槔瓚?，細桿則受壓應力[15]。在智能應力儀E字型3個桿上裝上測力傳感器，鑄型型腔中桿所在位置裝上測溫熱電偶，當應力框因溫度下降凝固形成剛性應力框時，就有應力信號產生，該信號通過裝在儀器上的力傳感器輸出電信號，經過模數(shù)轉換送入智能單元的微處理器進行分析處理、儲存數(shù)據(jù)、顯示曲線記錄，完成鑄造合金應力測試。根據(jù)以上設想，設計出圖3所示的智能鑄造合金應力儀。

1-儀器橫梁，2-測力傳感器，3-冷卻水，4-連接桿，5-螺母，6-螺釘，7-熱電偶，8-反“E”形試樣型腔，9-直澆口，10-鑄型

圖3 智能鑄造合金應力儀

智能鑄造合金應力儀主要由橫梁、力傳感器、應力框、鑄型、數(shù)據(jù)采集記錄儀組成，橫梁連接3根測桿測頭，測桿上安裝測力傳感器組成E字型，鑄型組成反E字型，通過測頭螺釘把E字型與反E字型連接起來構成剛性應力框。若有應力產生，三桿上測力傳感器分別向智能記錄顯示單元輸出電信號，如果合金在冷凝過程中有一次相變發(fā)生，則粗細桿的受力方向多一次變化。為了教學和研究需要，智能鑄造合金應力儀在3根桿上分別設置了測力傳感器。在以后推廣使用中，可以只在中間粗桿設置測力傳感器，這是因為兩側細桿受力之和在任何時刻其大小與中間桿受力大小相等，方向相反。設計中，試樣中間桿直徑φ25，兩側桿均為φ17.68，粗細桿截面比為2∶1，故兩側細桿所受力之和與粗桿所受力數(shù)值大小相等。中間粗桿上測溫熱電偶測試合金凝固冷卻曲線電信號，經過微處理器模數(shù)轉換器送往數(shù)據(jù)采集記錄儀，最后通過計算機軟件數(shù)據(jù)處理并通過網絡傳輸輸出結果。整體實驗流程如圖4所示。

圖4 鑄造應力測試實驗流程圖

3 測試結果與分析

實驗材料選用鑄造生產中較為常用的ZL102鋁合金，采用電阻坩堝爐進行熔煉，鑄型采用濕砂型，澆注溫度720 ℃。表1為粗桿與細桿隨澆注時間變化的受力實測數(shù)據(jù)(壓力用“-”表示，拉力用“+”表示)?？梢钥闯?相同時刻點兩細桿力之和與粗桿的力的大小相等，方向相反。根據(jù)桿的橫截面積，經過數(shù)據(jù)處理得到圖5的的應力分布曲線。

表1 粗桿與細桿隨澆注時間變化的受力實測數(shù)據(jù) N

智能鑄造合金應力儀同時可記錄4條壓力或溫度隨時間變化的曲線，可存儲100組數(shù)據(jù)。通過實驗證明，實驗測試結果與應力產生分析完全吻合，數(shù)據(jù)重復率及精確性達到設計要求。智能鑄造合金應力儀實現(xiàn)了人工砂型造型、數(shù)據(jù)自動采集、計算機軟件數(shù)據(jù)處理與網絡結果傳輸?shù)裙δ?。為高等院校培養(yǎng)滿足工程教育認證要求的材料成型與控制畢業(yè)生提供了硬件支持。

圖5 ZL102合金凝固冷卻曲線及鑄造應力曲線

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