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铸件及铸造工艺设计-铸件设计

日期:2023-02-07    浏览次数:    
       铸件设计的目的是在最低的材料消耗和制造费用下实现铸件结构的功能特性。铸件设计工作的两个主要步骤是:①必须考虑铸件和铸造过程与其他制造方法的特征,再根据技术和经济比较做出决定;②设计的主要阶段,即决定铸件总的形状和详细的设计特征。

铸件使用功能设计

       任何零件的设计在满足功能要求的设计方案时,应同时考虑以下三个重要方面:材料、制造方法、结构形状。

1.铸造方法和铸造金属的选择

(1)铸造方法 在设计的早期应该确定铸造方法和铸造金属,首先考虑是采用砂型铸造、压铸,还是其他特种铸造方法。表8-1列出了各种铸造方法和影响选择的主要因素:

表-1铸造方法选择

       设计者应最大限度利用所选用制造工艺的优点,每种成形工艺都有一些特殊的优点。例如,可重复使用的金属型工艺具有明显的生产优点,但是受尺寸形状的制约,铸造产品灵活性受到严格的限制;一次性的砂型铸造,铸件内外的型砂均可去除,铸型工艺对产品的形状和尺寸几乎没有限制。

(2)铸造金属的选择 各种类型的铸铁具有范围广泛的有用性能。灰铸铁牌号众多,用途广泛。低强度灰铸铁在液态时流动性非常好,凝固收缩小,能够浇注出壁薄、复杂的铸件;高强度灰铸铁应用于铸造各种机械零件,如发动机、机床等复杂零件。应注意的是,灰铸铁的力学性能对铸件的壁厚特别敏感,断面过薄则硬度高而加工困难;断面过厚时,铸件的强度显著下降。

       球墨铸铁的工程应用明显超过其他材料的原因与它的特性、性能和单位强度成本相关,有关球墨铸铁与其他材料的特性比较以及相关的单位强度成本见表-2、表-3。低单位强度成本的球墨铸铁是其作为工程材料快速增长的主要原因。

表-2 金属特性比较

表-3 单位强度成本比较

       球墨铸铁抗拉强度范围在铁素体球墨铸铁的350MPa到奥氏体球墨铸铁(ADI)1300MPa之间。球墨铸铁为获得480MPa以上的屈服强度,就需要进行一些合金化或特殊的热处理,前提是为得到性能而花费的热处理成本是值得且合理的。

       还有其他特殊类型例如Ni-耐高温、低温和耐蚀奥氏体球墨铸铁,以及应用于高温排气部件的含高硅材料。通常设计者会关注其中的一个或一系列性能(如可加工性、韧性、疲劳、腐蚀等),铸造工厂应按要求提供相应信息。球墨铸铁和奥氏体球墨铸铁(ADI)在单位强度成本方面与其他常用铸造材料相比具有明显的优势。ADI具有令设计者注目的独特性能例如高强度、耐磨、耐疲劳,同时还具有良好的韧性。ADI具有两倍于常规规格球墨铸铁的强度而同时保持高伸长率和韧性,使得设计者能够减少零件重量和成本,平衡和改进设计。

2.铸件设计的力学性能标准

       所有机械零件在运转过程中,都不同程度上承受着载荷以及温度、接触介质的作用,这使零件材料发生变形、断裂、表面失效等现象,从而导致零件失效。材料强度就是铸件材料抵抗外加载荷而不产生失效的能力。铸件强度表现为它的短期承载能力以及长期使用寿命,它主要决定于以下几个因素。

1)结构因素,根据零件在整机中的作用与效能和结构强度所决定的形状、尺寸以及与其他零件的配合关系等。

2)材料因素,制造零件所用材料的成分、组织、性能以及零件各部位的强度。

3)工艺因素,全部加工工艺过程对零件各部位强度所产生的影响。

       在结构因素和工艺因素基本确定时,为保证足够的铸件零件强度,其最薄弱环节(危险断面)的尺寸大小则成为决定该部位强度的关键,因此,在结构设计和加工工艺正确合理的条件下,主要是材料强度决定了铸件的体积、质量和寿命。

       常规材料的强度数据一般是用形状简单、尺寸较小的标准试样以简单的加载方式取得的,以此进行实际铸件的设计或校核时,需要考虑铸件在工作中所承受的实际应力、应变幅度和规定的有效寿命、安全裕度、尺寸、形状和表面因素的影响。
       抗拉强度是最常规的性能,尽管在静态结构设计中它的重要程度不如屈服强度或弹性极限应力。抗拉性能也对其他性能给出指标,例如材料的剪切、扭转和抗压强度。在每个情况下,对一给定级别的合金有一个与抗拉强度之间的固定关系。
       弹性模量是另一个重要参数,在给定载荷下是刚度或挠度的度量,这种性能取决于铸件结构对弹性变形的抗力和最终的不稳定性。在许多设计中刚度是控制尺寸的关键因素,要求断面厚度要比从强度观点出发更为适当。弹性模量对铸造组织的变化较不敏感,基本由成分确定。然而,在灰铸铁中,却显著随着石墨数量而变化以及随着使用应力的增大而减小。
       在考虑强度要求时,必须考虑到在缺口处的应力集中。铸件零件在载荷下结构破坏常常是由于关键部位的应力集中值超出原设计值。在考虑铸造部件获得最大强度时,消除由于诸如尖角特征造成的应力是主要的。考虑到预计的应力分布、大小、可能的误差和估计到未被发现的缺陷处应力集中的可能性,通常在设计中考虑安全系数。针对静态应力时采用设计应力大约是屈服应力的一半,即安全系数为2;但在动态应力或其他特殊情况下应采用更大的安全系数。
       冲击性能试验可以得出的有缺口试样的冲击性能,因为结果取决于试样的尺寸和缺口的几何形状,而与别的形状和截面没有直接关系,所以不能直接提供设计应力数据。但是冲击结果在预测金属在低温下的韧性-脆性转变敏感性方面特别重要。冲击试验常用于确定真实的韧脆转变温度,或提供与标准温度下破坏能量的对比。
       金属的韧性不论是以伸长率和拉伸试验中的断面收缩率度量,还是以冲击试验的破坏能量来度量都十分重要的。设计者很少在设计中直接采用破坏前的塑性变形能力,像其他性能设计一样可采用安全系数,当采用高标准检验时需要的系数最小,而对于铸造材料而言,高伸长率是许多技术条件的一个必要性能。灰铸铁实际上没有很好的韧性,静载荷条件下的安全系数通常为3~5。然而灰铸铁铸件通常设计成发挥它优良的抗压强度。
       剪切、弯曲、扭曲和其他力学性能试验值可能是各种各样的,可用于设计评估在类似条件下的材料质量,但一般不直接在设计中使用,这些应力的计算通常根据抗拉性能参数来获得。
       在疲劳条件下,材料在远低于正常屈服应力的应力水平时出现破坏。因此在这样的条件下,
材料的疲劳强度极限是重要的设计标准。疲劳强度极限与抗拉强度极限有一定的关系,其比值或疲劳强度与抗拉强度的比值对特定的材料和试验方式可约视为常数。铁合金的耐疲劳比率为 0.3 ~0.5,有色合金为0.15~0.35。各种类型合金材料的疲劳-抗拉强度关系见图-1所示。