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铸件及铸造工艺设计-铸造工艺设计案例

日期:2023-02-20    浏览次数:    

某燃气轮机进气缸工艺案例

一、产品简介

       进汽缸产品是重型燃气轮机的核心部件。进汽缸的作用是引导流体进入压气缸,并支撑燃气轮机的转子,从而实现燃气轮机整体的气流运行平稳。进汽缸的工作环境是高速流体、机械振动。

       进汽缸产品按照上下两半缸设计,产品材质QT400-18,铸件最大壁厚230mm,最小壁厚50mm,主体壁厚70mm;单重18200kg。其三维图如图-1所示。

图-1燃气进气缸三维图

二、全流程虚拟制造

1.技术难点识别

1)铸件尺寸公差:国际标准ISO 8062 CT12-13级。

2)UT:铸件100%UT检验,关键部位Ⅱ级,其他部位Ⅲ级,执行标准为EN12680-3。

3)RT:执行顾客规范,验证件100%RT,批量件UT不合部位进行RT验证。

4)附铸试块硬度:(143~187)HBW。

5)附铸试块屈服强度Rp0.2≥275MPa。

6)附铸试块抗拉强度Rm≥415MPa。

2.方法策划

选择木模树脂砂工艺方法。

3.工艺方案策划

分型面选择铸件最大截面处,将铸件分为上下两半,方便现场操作。

4.虚拟设计

(1)浇注系统 在全流程虚拟制造系统中输入材质、浇注质量、铸件壁厚、分型方法、浇注时间等相关参数,系统会自动计算出浇注系统静压头高度、阻流截面。采用阶梯浇注系统,第一层为封闭式,第二层为开放式。燃气进气缸浇注系统三维图如图-2所示。

图-2燃气进气缸浇注系统

(2)冒口设计 其材质为QT400-18,主体壁厚70mm、最大壁厚230mm、最小壁厚50mm,壁厚偏差较大。因此,在补缩工艺上采取分区设置。同时为了应对熔炼材质的波动及现场操作不到位造成的补缩不足的问题,在冒口设计上,改变了一般情况下只将冒口放于法兰顶部的方案,而在翻边法兰处增加冒口。

(3)材料控制

1)配比:机铁20%~50%,低Mn废钢10%~20%,球生铁30%~70%。

2)成分控制(%):C:3.40~3.70,Si:2.30~2.50,Mn:<0.25,P:<0.035,S:0.008~0.012,Mg:0.04~0.05。

(4)浇注温度为(1340±10)℃,采用球化工艺冲入法和多级孕育。

5.虚拟检验

通过仿真凝固模拟软件,验证充型和凝固过程。其仿真模拟结果如图-3所示。

6.虚拟制造(见图-4)

虚拟制造环节通过梳理现场生产的关键控制工序及关键控制要点,并将工艺设计方案转化成为现场可执行的关键控制参数,形成完整的3D作业指导书及手机App检查文件,指导现场实际生产。

图-3仿真模拟结果

图-4现场制芯过程模拟动画

7.执行反馈

通过样件生产、小批量工艺稳定性验证生产、批量生产,目前该产品已实现连续稳定批量供货,铸造废品率5%以下。实际铸件照片如图-5所示。

图-5实际铸件照片

某蜗壳压缩机产品工艺案例

一、产品简介

       蜗壳产品作为高效涡轮式离心压缩机的核心部件,整体外观及内腔呈“蜗旋”状的流线型设计。蜗壳的作用是将流体吸入其内部,并在排出的过程中将流体的动能转换为压力,从而实现压缩机整体的压力平衡。蜗壳的使用环境是高压、高速流体。

       某顾客的蜗壳材质EN-GJS-400-18;主体壁厚35mm;单重10000kg。其铸件三维图如图-6所示。

图-6 蜗壳压缩机铸件三维图

二、全流程虚拟制造

1.产品要求

1)铸件尺寸公差:CT10-11级,执行标准ISO 8062。

2)铸件100%UT检验,关键部位Ⅱ级,其他部位Ⅲ级,执行标准EN12680。

3)压力试验:执行顾客规范,铸件粗加工后,进行水压试验:压力在1.5bar下保压30min无渗漏为合格。

4)附铸试块硬度:(150~220)HBW。

5)附铸试块屈服强度Rp0.2≥350MPa。

6)附铸试块抗拉强度Rm≥400MPa。

2.铸造方法策划

选择木模树脂砂工艺方法。

3.工艺方案策划

分型方法:分型面选择铸件最大截面处,将铸件分为上下两半,方便现场操作。

4.虚拟设计

(1)浇注系统 在全流程虚拟制造系统中输入材质、浇注质量、铸件壁厚、分型方法、浇注时间等相关参数,系统会自动计算出浇注系统静压头高度、阻流截面。采用开放式浇注系统,内浇道设置在铸件底部并均匀分布、多点进流,可使得充型均匀。蜗壳压缩机浇铸系统三维图如图-7所示。

图-7蜗壳压缩机浇注系统三维图

(2)冒口设计 管口法兰和密封法兰等加工面相对较厚,且加工后不得有缩松及外漏缺陷,因此在工艺上补缩设计时需要重点考虑加工面,即管口法兰和密封法兰。冒口放置于法兰侧边薄壁上,并在冒口下增加工艺凸台,所述工艺凸台既能起到补缩法兰的作用,也能避免实际生产中冒口根部缩松。

(3)材料控制

1)配比:机铁20%~50%,废钢10%~20%,生铁30%~70%。

2)主要化学成分(%):C:3.40~3.60,Si:2.40~2.60,Mn:<0.25,S:0.006~0.012。

(4)浇注温度为(1350±10)℃,采用球化工艺冲入法和多级孕育。

5.虚拟检验

通过MAGMA凝固模拟,浇注系统进流平稳,铁液无飞溅,效果较好。冒口对铸件进行有效补缩,未发现明显超级缺陷。其仿真模拟结果如图-8所示。

图-8 仿真模拟结果

6.虚拟制造(见图-9)

虚拟制造环节通过梳理现场生产的关键控制工序及关键控制要点,并将工艺设计方案转化成为现场可执行的关键控制参数,形成完整的3D作业指导书及手机App检查文件,指导现场实际生产。

图-9 现场生产模拟

7.执行反馈

通过样件生产及工艺优化,目前该产品已实现连续稳定交付。实际铸件照片如图-10所示。

图-10 实际铸件照片

 某中速柴油机气缸盖铸件生产工艺案例

一、产品简介

       本产品是为某公司生产的清洁高效中速柴油机气缸盖铸件。此型号柴油机曲轴转速(300~1000)r/min,功率1500~9000kW,主要用于内燃机车、内河工程船舶、拖网渔船、军用舰艇。其工作环境恶劣,是目前铸造难度最大的产品之一。该产品材质为RuT300,轮廓尺寸615mm×414mm×287mm,最大壁厚42mm,最小壁厚10mm,控制壁厚10mm;单重210kg。其铸件三维图如图-11所示。

图-11铸件三维图

二、全流程虚拟制造(见图-12)

图-12铸造工艺

1.参数对比

作为船用发动机的核心零部件,此气缸盖铸件有着其特殊的铸造要求:

1)铸件尺寸公差:ISO 8062 CT11级,壁厚公差为±1mm。

2)试块性能要求Rm≥300Mp,Rp0.2≥240Mp,A≥2%,蠕化率≥50%,本体硬度(140~217)HBW。

3)加工面不允许存在任何夹杂类缺陷。

4)气缸盖水腔用压力0.7MPa进行气压试验,不得有任何气泡。在气缸盖燃烧室面用压力17.6520MPa(180kgf/cm2),在5min内压力降不超过0.49MPa(5kgf/cm2),不应有泄漏。

2.铸造方法策划

通过质量、成本、效率、可操作性进行综合评定确定工艺方法(模具、3D打印、消失模等)。

1)质量:鉴于此产品质量要求高,优先选用金属模或3D打印进行生产。

2)成本:使用木模或3D打印进行生产。

3)效率:使用3D打印进行生产,省去模具制作时间,并且生产方式简单,生产效率最高。

4)可操作性:3D打印可大幅减少砂芯数量,操作简单。

权衡以上四要素,选用3D打印生产方法可更好的简化操作、生产效率高、成本低、质量更优。

3.工艺方案策划

本项目借助3D打印成形工艺大幅度的减少薄壁复杂件的砂芯数量(砂芯数量由传统模具的 34块变成了4块)。将关键砂芯整做,可大幅度提高铸件尺寸精度,壁厚公差易于达到规范要求。并且整做砂芯可以减少砂芯晃动导致呛火发生的概率。充型过程中底注最平稳,顶注次之,侧注方案最差,因下水腔6×φ32孔易断,顶注可以有效降低铁水充型过程中浮力对砂芯影响,另底部薄、上部厚,顶注的工艺利于补缩,因此采用顶注方案。

4.虚拟设计

(1)铸件结构 下水腔、后水腔、上水腔φ32孔只给+1mm的加工余量,尽可能加粗砂芯。

(2)浇注系统 在全流程虚拟制造系统计算表格中输入材质、浇注重量、铸件轮廓尺寸、铸件主体壁厚、分型方法、浇注时间等相关参数,自动计算出浇注系统静压头高度(40cm)、阻流截面(12.6cm2)。并确定采用开放式浇注系统,根据浇注系统比例,相应计算出横浇道和内浇道截面积。采用6道内浇道,分散雨淋式进流,充型平稳、温度场分布均匀。

(3)冒口设计 顶部厚大部位使用一个12/15发热冒口进行补缩,确保加工打孔后缩松不外漏,燃烧室面使用40mm×40mm×30mm的铸铁冷铁一块。

(4)熔炼工艺控制

1)配比:生铁50%,灰机铁15%,球机铁25%,废钢10%。

2)蠕化后成分控制(%):C:3.3~3.8,Si:1.5~3.0,Mn:<0.9,S:<0.03:Mg:0.01~0.03,Ce:0.01~0.03。

(5)出铁温度为1450℃,浇注温度(1380±20)℃,蠕化工艺选用盖包法。

5.虚拟检验

通过MAGMA充型+凝固模拟,浇注系统进流平稳,铁水无飞溅,效果较好。冒口对铸件进行有效补缩,未发现超出规范要求的缺陷。

6.虚拟制造

虚拟制造主要为了指导现场生产,详细梳理工艺过程,将关键控制点采用文字、照片甚至动画形式上传至系统,现场通过查看APP进行生产。组芯过程模拟如图-13所示。

7.执行反馈

执行反馈主要为了控制现场生产,现场将重点控制过程执行情况在全虚拟流程APP上进行反馈,如此可以有效进行过程控制,确保工艺执行率,图-14所示为组芯及铸件实物图。

图-13 组芯过程模拟

图-14组芯及铸件实物图

 某机床床身铸件工艺案例

一、产品简介

       此铸件为某顾客生产的机床床身,材质为FC300,最大壁厚102mm,最小壁厚20mm;单重2000kg,尺寸为2500×1800×900(mm)。其铸件三维图如图-15所示。

图-15铸件三维图

二、全流程虚拟制造

1.技术难点识别

作为机床产品的核心零部件,此床身铸件有着其特殊的铸造要求。

1)化学成分符合下表要求。

2)铸造后淬火部位布氏硬度为(183~241)HBW。

3)淬火面石墨形状符合ISO 945 A型石墨,精加工面的粗大石墨的剥离面和含有片状石墨金属组织的剥离面积均应小于0.1mm2。

4)在(550~590)℃去应力退火。

5)尺寸公差:规范ISO 8062的铸造公差等级为CT11级,该产品尺寸公差最大为±6mm,壁厚公差最大为±3mm,主体壁厚公差为±2mm。

6)铸件焊补必须得到顾客同意,大柜面、安装面不允许焊补。

2.铸造方法策划

机床床身铸件产品形状、结构复杂,尺寸精度要求高、生产批量大,应综合质量、成本、效率、可操作性等因素考虑,从木模、真空负压消失模、实型消失模、金属模、3D打印、射芯、离心浇注等工艺方法中选择木模模板工艺方法来进行制造生产。

3.铸造工艺方案策划

分型面选择铸件地脚顶面处,从地脚面分开,方便现场操作。床身导轨属于关键区域,放于下箱保证质量;地脚面向上,放置出气及冒口。铸件分型方案示意图如图-16所示。

图-16 铸件分型方案示意图

4.虚拟设计(见图-17)

(1)浇注系统 在全流程虚拟制造系统中输入材质、浇注质量、铸件壁厚、分型方法、浇注时间等相关参数,系统自动计算出浇注系统静压头高度、阻流截面。并确定采用先封闭后开放比例的浇注系统。浇注系统设置7道内浇口,均匀分散在铸件底部,充型后铸件温度场分布均匀。

图-17 浇冒系统结构与型芯设计方案

(2)冒口设计 在铸件顶部设置出气冒口17处,出气截面尺寸为阻流截面的1.5倍。

(3)材料控制

1)配比:生铁5%,机铁35%,废钢60%。

2)成分控制(%):C:3.10±0.1,Si:1.6±0.1,Mn:0.70±0.05,P:≤0.04,S:0.08~0.12。

(4)出铁温度为(1400~1430)℃,浇注温度为(1390±10)℃,浇注时间为40s。

5.虚拟检验(见图-18)

通过仿真模拟软件进行充型凝固模拟,浇注系统进流平稳,铁水无飞溅,温度场均匀。

图-18 模拟结果图

6.虚拟制造(见图-19)

虚拟制造环节通过梳理现场生产的关键控制工序及关键控制要点,并将工艺设计方案转化成为现场可执行的关键控制参数,形成完整的3D动画作业指导书及手机App检查文件,指导现场实际生产。

7.执行反馈(见图20)

通过样件生产、小批量工艺稳定性验证生产、批量生产,目前该产品已实现连续稳定批量供货,铸造废品率5%以下。


图-19现场生产模拟

图-20 实际铸件图

摘自现代铸铁技术


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