智 能 鑄 造 合 金 應(yīng) 力 儀 的 設(shè) 計(jì)

王武孝， 張忠明， 劉東杰， 鄒軍濤， 張忠義

(西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710048)

0 引 言

鑄造是一種應(yīng)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(yīng)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(lèi)設(shè)備中鑄件所占的比例很大，如機(jī)床、內(nèi)燃機(jī)中，鑄件占機(jī)器總重的70%～80%，農(nóng)業(yè)機(jī)械占40%～70%[1-3]。

但在鑄造成型過(guò)程中，因鑄件合金種類(lèi)、成分、結(jié)構(gòu)(薄厚不均)及鑄造工藝設(shè)計(jì)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(yīng)力造成的，鑄造應(yīng)力在鑄件凝固過(guò)程中產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)鑄件開(kāi)箱、落砂也不會(huì)消除，直到鑄件冷卻至室溫依然存在。凝固過(guò)程中鑄造應(yīng)力的存在使鑄件在實(shí)際承受載荷時(shí)容易萌生裂紋，且都發(fā)生在鑄件應(yīng)力集中的地方，在鑄件存放、搬運(yùn)、加工過(guò)程中將造成鑄件因鑄造應(yīng)力開(kāi)裂而報(bào)廢[4-5]。

國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有定型的鑄造應(yīng)力測(cè)試儀器，慣用方法是用應(yīng)力框來(lái)進(jìn)行鑄造應(yīng)力測(cè)定，而應(yīng)力框只能測(cè)定靜態(tài)情況下的應(yīng)力狀況，無(wú)法反映鑄造應(yīng)力產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此準(zhǔn)確測(cè)定鑄件凝固過(guò)程中鑄造應(yīng)力動(dòng)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(yīng)力儀對(duì)鑄造應(yīng)力和溫度變化進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)人工濕砂型造型、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、軟件中央數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)果傳輸?shù)裙δ?。通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力以及實(shí)驗(yàn)協(xié)作能力，從而達(dá)到工程教育認(rèn)證對(duì)畢業(yè)生的部分要求。

1 鑄造應(yīng)力測(cè)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(jīng)過(guò)液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮3個(gè)階段[6-7]。鑄件在凝固過(guò)程中，固態(tài)凝固受到阻礙，鑄件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因被消除時(shí)，鑄造應(yīng)力消失，被稱為臨時(shí)鑄造應(yīng)力；當(dāng)產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因被消除而鑄造應(yīng)力依然存在時(shí)，被稱為殘余鑄造應(yīng)力[8-10]。

殘余鑄造應(yīng)力的測(cè)定方法可分為機(jī)械測(cè)定法和物理測(cè)定法[11-12]。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，測(cè)試合金的鑄造應(yīng)力所采用的方法通常是先澆注應(yīng)力框，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。用應(yīng)力框測(cè)定鑄造應(yīng)力是屬于機(jī)械測(cè)定法中最簡(jiǎn)便的一種方法，其基本原理是把鑄件(或應(yīng)力框試樣)用一定方法進(jìn)行分割，殘余應(yīng)力被局部釋放，從而破壞了鑄件內(nèi)部存在的相互平衡的應(yīng)力，使鑄件(或應(yīng)力框試樣)產(chǎn)生變形，然后測(cè)定這時(shí)的變形量，再應(yīng)用彈性力學(xué)有關(guān)公示求出鑄件內(nèi)的殘余應(yīng)力。這樣算出的殘余應(yīng)力數(shù)值只能反映靜態(tài)殘余應(yīng)力，并不知道應(yīng)力何時(shí)產(chǎn)生，應(yīng)力產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)及曲線。

圖1 應(yīng)力框結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 智能鑄造合金應(yīng)力儀的設(shè)計(jì)

智能鑄造合金應(yīng)力儀具備動(dòng)態(tài)應(yīng)力自動(dòng)測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)等功能，把鑄造應(yīng)力產(chǎn)生的瞬間、變化趨勢(shì)用曲線的形式記錄、存儲(chǔ)，供后續(xù)研究、分析使用，使鑄造工藝制定更具科學(xué)性，儀器設(shè)計(jì)模塊如圖2所示。

圖2 智能應(yīng)力儀模塊圖

對(duì)鑄件進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要了解鑄件不同部位的應(yīng)力分布及大小，就必須對(duì)金屬?gòu)母邷乩鋮s到室溫的應(yīng)力變化進(jìn)行了解。由于凝固過(guò)程中鑄件的冷卻速度不同，且在同一時(shí)間內(nèi)鑄件不同部位的收縮情況也不同，故造成的鑄造應(yīng)力也有差異。智能應(yīng)力儀設(shè)計(jì)以圖1的應(yīng)力框?yàn)閰⒖?，?yīng)力框試樣是兩側(cè)細(xì)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(gè)整體，收縮時(shí)必然相互制約而產(chǎn)生阻礙，形成熱應(yīng)力[13-14]，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)鑄件的抗拉強(qiáng)度時(shí)，粗桿就會(huì)斷裂。

為了達(dá)到儀器易拆裝、鑄造應(yīng)力測(cè)試便捷的目的，智能應(yīng)力儀設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力框應(yīng)做成剛性框架，且開(kāi)合方便?；谶@樣的思路，把圖1所示的應(yīng)力框沿AB線方向鋸斷，使應(yīng)力框一分為二，左邊為E字型，右邊為反E字型，3個(gè)測(cè)桿端部分別裝上連接螺母及測(cè)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(gè)測(cè)頭螺釘伸向反E字型型腔，連接靠螺栓鑄接。當(dāng)液態(tài)合金充滿鑄型后，與儀器連接螺母上的測(cè)頭螺釘鑄接。使得儀器與反E字型試樣構(gòu)成了封閉的應(yīng)力框。由于應(yīng)力框試樣兩側(cè)桿比中間桿細(xì)，在凝固初始階段，應(yīng)力框試樣兩側(cè)細(xì)桿冷卻快、受拉應(yīng)力，應(yīng)力框試樣中間粗桿受壓應(yīng)力;凝固后期，應(yīng)力框試樣中間粗桿開(kāi)始凝固收縮，細(xì)桿已經(jīng)凝固完畢,進(jìn)入彈性階段，所以粗桿所受力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，細(xì)桿則受壓應(yīng)力[15]。在智能應(yīng)力儀E字型3個(gè)桿上裝上測(cè)力傳感器，鑄型型腔中桿所在位置裝上測(cè)溫?zé)犭娕?，?dāng)應(yīng)力框因溫度下降凝固形成剛性應(yīng)力框時(shí)，就有應(yīng)力信號(hào)產(chǎn)生，該信號(hào)通過(guò)裝在儀器上的力傳感器輸出電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換送入智能單元的微處理器進(jìn)行分析處理、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、顯示曲線記錄，完成鑄造合金應(yīng)力測(cè)試。根據(jù)以上設(shè)想，設(shè)計(jì)出圖3所示的智能鑄造合金應(yīng)力儀。

1-儀器橫梁，2-測(cè)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(yīng)力儀

智能鑄造合金應(yīng)力儀主要由橫梁、力傳感器、應(yīng)力框、鑄型、數(shù)據(jù)采集記錄儀組成，橫梁連接3根測(cè)桿測(cè)頭，測(cè)桿上安裝測(cè)力傳感器組成E字型，鑄型組成反E字型，通過(guò)測(cè)頭螺釘把E字型與反E字型連接起來(lái)構(gòu)成剛性應(yīng)力框。若有應(yīng)力產(chǎn)生，三桿上測(cè)力傳感器分別向智能記錄顯示單元輸出電信號(hào)，如果合金在冷凝過(guò)程中有一次相變發(fā)生，則粗細(xì)桿的受力方向多一次變化。為了教學(xué)和研究需要，智能鑄造合金應(yīng)力儀在3根桿上分別設(shè)置了測(cè)力傳感器。在以后推廣使用中，可以只在中間粗桿設(shè)置測(cè)力傳感器，這是因?yàn)閮蓚?cè)細(xì)桿受力之和在任何時(shí)刻其大小與中間桿受力大小相等，方向相反。設(shè)計(jì)中，試樣中間桿直徑φ25，兩側(cè)桿均為φ17.68，粗細(xì)桿截面比為2∶1，故兩側(cè)細(xì)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(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)試合金凝固冷卻曲線電信號(hào)，經(jīng)過(guò)微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換器送往數(shù)據(jù)采集記錄儀，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸輸出結(jié)果。整體實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

圖4 鑄造應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程圖

3 測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)材料選用鑄造生產(chǎn)中較為常用的ZL102鋁合金，采用電阻坩堝爐進(jìn)行熔煉，鑄型采用濕砂型，澆注溫度720 ℃。表1為粗桿與細(xì)桿隨澆注時(shí)間變化的受力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(壓力用“-”表示，拉力用“+”表示)?？梢钥闯?相同時(shí)刻點(diǎn)兩細(xì)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(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到圖5的的應(yīng)力分布曲線。

表1 粗桿與細(xì)桿隨澆注時(shí)間變化的受力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) N

智能鑄造合金應(yīng)力儀同時(shí)可記錄4條壓力或溫度隨時(shí)間變化的曲線，可存儲(chǔ)100組數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與應(yīng)力產(chǎn)生分析完全吻合，數(shù)據(jù)重復(fù)率及精確性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。智能鑄造合金應(yīng)力儀實(shí)現(xiàn)了人工砂型造型、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)果傳輸?shù)裙δ堋楦叩仍盒Ｅ囵B(yǎng)滿足工程教育認(rèn)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(yīng)力曲線

[1] 夏 敏, 張大林, 趙林君, 等. 鑄造內(nèi)應(yīng)力的形成與消除措施[J]. 黑龍江科學(xué), 2015(6): 40-41.

[2] 朱志兵, 李?lèi)?ài)聽(tīng), 傅 駿, 等. 內(nèi)燃機(jī)鑄件潮模砂鑄造技術(shù)及裝備現(xiàn)狀簡(jiǎn)述[C]//2016重慶市鑄造年會(huì)論文集, 重慶.2016:13-15.

[3] 吳殿杰. 國(guó)內(nèi)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件鑄造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J]. 現(xiàn)代鑄鐵, 2012, 32(2): 23-30.

[4] 劉曉婷. 鑄造應(yīng)力的特性與測(cè)算[J]. 西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào), 2012, 30(5): 47-49.

[5] 鄒樹(shù)梁, 周雄鋒, 唐德文, 等. 新型Fe-W合金應(yīng)力框鑄造應(yīng)力模擬及變形分析[J]. 鑄造技術(shù), 2016, 37(7): 1411-1417.

[6] 樂(lè)啟熾, 李浩宇, 柏媛媛, 等. 鋁合金凝固收縮行為研究[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(5): 646-650.

[7] 陸文華, 李隆盛, 黃良玉. 鑄造合金及其熔煉[M]. 北京, 機(jī)械工業(yè)出版社, 1996.

[8] 宋俊凱, 黃小波, 高玉魁. 殘余應(yīng)力測(cè)試分析技術(shù)[J]. 表面技術(shù), 2016, 45(4): 75-80.

[9] 楊遠(yuǎn)平, 張榜英, 陶韻暉. 基于ProCAST的鑄造應(yīng)力數(shù)值模擬探討[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(19): 45-47.

[10] 李 桐, 李克銳, 吳現(xiàn)龍, 等. 灰鑄鐵機(jī)床床身應(yīng)力與變形的測(cè)試研究[J]. 現(xiàn)代鑄鐵, 2014(3): 34-39.

[11] 周偉敏, 周平南, 吳廷斌. NiTi 薄膜殘余應(yīng)力測(cè)試方法的探討[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007, 26(1): 16-18.

[12] 蔣 剛, 譚明華. 殘余應(yīng)力測(cè)量方法的研究現(xiàn)狀[J]. 機(jī)床與液壓, 2007, 35: 213-220．

[13] 皮薩林科, 列別捷夫. 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料變形與強(qiáng)度[M]. 北京, 科學(xué)出版社, 1983.

[14] 杜 軍, 蔣業(yè)華, 周 榮. 基于ANSYS的鑄造過(guò)程熱應(yīng)力數(shù)值模擬[J]. 熱加工工藝, 2016, 45(9): 68-70.

[15] 李慶春. 鑄件成型理論基礎(chǔ)[M]. 北京, 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.