蔣 輝,徐玉龍,邵長(zhǎng)元,譚傳寶,吳玉成
(濰柴重機(jī)股份有限公司,山東 濰坊 261108)
石墨冷鐵因密度低、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容高、熔點(diǎn)高以及受熱膨脹小的特點(diǎn),其應(yīng)用有操作方便,激冷效果好且不容易出現(xiàn)白口等優(yōu)勢(shì),使得石墨冷鐵逐漸被廣泛應(yīng)用和推廣[1]。但石墨冷鐵的制作成本較鑄鐵冷鐵高,且因易破損,回用率低,其使用成本也高,這兩個(gè)方面是制約石墨冷鐵廣泛應(yīng)于的主要原因[2]。
由表1 可知,石墨雖然比熱容是鑄鐵的3~4倍,但密度僅是其1/4,即相同體積的石墨儲(chǔ)熱能力約是鑄鐵冷鐵的一半。綜合以上分析,石墨冷鐵與鑄鐵冷鐵各有特點(diǎn),要根據(jù)具體使用條件選擇。
優(yōu)點(diǎn):金屬密度大,相同體積,儲(chǔ)熱能力強(qiáng)于石墨冷鐵,在復(fù)雜鑄件內(nèi)部、空間有限位置激冷效果更好;
缺點(diǎn):內(nèi)冷鐵表面與鑄件本體熔合不可清理出來,一方面增加了后續(xù)加工工序,且金屬冷鐵與鑄件本體材料有差異,更難加工;另一方面加工金屬內(nèi)冷鐵時(shí)存在冷鐵隨刀具旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致打刀的風(fēng)險(xiǎn),還存在冷鐵末端被刀具壓到復(fù)雜型腔內(nèi)部無法取出的風(fēng)險(xiǎn)。
優(yōu)點(diǎn):內(nèi)冷鐵可以清理出來,不增加后續(xù)加工工序,不存在不好加工和打刀等風(fēng)險(xiǎn);
缺點(diǎn):石墨密度小,相同體積,雖然比熱容大,但整體儲(chǔ)熱能力弱于金屬冷鐵,在復(fù)雜鑄件內(nèi)部、空間有限位置激冷效果較弱。
一部分使用石墨材料加工而成,該部分與金屬液直接接觸,另一部分使用金屬加工而成,兩個(gè)部分組合在一起使用,其優(yōu)缺點(diǎn)如下:
優(yōu)點(diǎn):與金屬液接觸的石墨利用其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,將熱量傳遞給金屬部分,金屬部分不與鑄件直接接觸,利用其密度大、質(zhì)量重的特點(diǎn)儲(chǔ)熱,一方面鑄件清理時(shí)可以將石墨部分清理掉,內(nèi)冷鐵不隨鑄件轉(zhuǎn)移到加工工序,另一方面利用金屬儲(chǔ)熱能力強(qiáng)的特點(diǎn),保證內(nèi)冷鐵整體激冷效果;
缺點(diǎn):石墨復(fù)合冷鐵成本較高,清理時(shí)將金屬部分取出,可循環(huán)利用,可一定程度上減小使用成本。
以生產(chǎn)中速機(jī)機(jī)體鑄件為例,鑄件輪廓尺寸:1 700 mm×1 000 mm×780 mm,材質(zhì):RuT400.毛坯重1 700 kg.鑄件集成有水腔、凸輪軸腔、油道等結(jié)構(gòu),內(nèi)部筋板、凸臺(tái)交錯(cuò),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在結(jié)構(gòu)交叉引起的孤立熱節(jié)(如圖1 所示),導(dǎo)致挺桿孔處產(chǎn)生縮松缺陷(如圖2 所示),且無法使用冒口補(bǔ)縮,只能使用內(nèi)冷鐵消除。
圖1 機(jī)體熱節(jié)位置
圖2 挺桿孔加工后出現(xiàn)縮松
分別采用3 種冷鐵驗(yàn)證生產(chǎn)效果。
金屬內(nèi)冷鐵利用鋼材加工成型,如圖3a)所示,為防止后續(xù)加工打刀和掉落,設(shè)計(jì)防轉(zhuǎn)和防掉結(jié)構(gòu),表面鍍銅,防止生銹產(chǎn)生氣孔。
驗(yàn)證結(jié)果:解剖及后續(xù)小批量驗(yàn)證均無縮松產(chǎn)生,未出現(xiàn)打刀現(xiàn)象,但是多出一道鉆孔工序,且挺桿孔被內(nèi)冷鐵堵住后,內(nèi)腔極難清理干凈。
石墨內(nèi)冷鐵由石墨塊加工成型,如圖3b)所示。
驗(yàn)證結(jié)果:后續(xù)小批量驗(yàn)證未發(fā)現(xiàn)縮松,但解剖發(fā)現(xiàn)熱節(jié)處仍存在零星縮松。石墨可以清理打掉,無需加工去除,挺桿腔清理方便。
石墨復(fù)合冷鐵由石墨塊及鋼棒加工并組合在一起使用,如圖3c)所示。
圖3 冷鐵示意圖
驗(yàn)證結(jié)果:解剖及后續(xù)小批量驗(yàn)證均無縮松產(chǎn)生,石墨可以清理打掉,無需加工去除,挺桿腔清理方便。
由表2 可知,鋼冷鐵材料費(fèi)用較低,冷鐵上帶有防轉(zhuǎn)和防掉結(jié)構(gòu)且表面鍍銅,故成本以加工費(fèi)和表面處理費(fèi)用為主;石墨冷鐵其原料本身較貴且為石墨方結(jié)構(gòu),加工時(shí)需先將石墨方鋸成小塊,再加工成需要的形狀,耗時(shí)較多,其成本主要是材料費(fèi)和加工費(fèi);石墨復(fù)合冷鐵比石墨冷鐵多了金屬部分,但金屬部分材料費(fèi)較低,沒有復(fù)雜形狀,加工費(fèi)較低,沒有表面處理費(fèi)用,故金屬部分費(fèi)用較低,再考慮金屬部分可以反復(fù)使用,石墨復(fù)合冷鐵成本與石墨冷鐵相比相差不大,具有一定的應(yīng)用前景,但與鍍銅鋼冷鐵相比成本仍相差近一半。由此可見,石墨復(fù)合冷鐵的使用成本仍是限制其推廣應(yīng)用的重要因素。
表2 三種內(nèi)冷鐵成本組成
通過設(shè)計(jì)并驗(yàn)證石墨復(fù)合冷鐵,可解決縮松問題,但使用成本仍是限制其推廣應(yīng)用的重要因素,與傳統(tǒng)冷鐵相比具有以下優(yōu)勢(shì):
1)充分利用石墨導(dǎo)熱性高及鋼儲(chǔ)熱能力強(qiáng)的特點(diǎn),可以解決復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縮松問題;
2)利用石墨易碎特性,作為內(nèi)冷鐵可以清理掉,減少后續(xù)加工內(nèi)冷鐵工序,和以此帶來的打刀風(fēng)險(xiǎn);
3)復(fù)合內(nèi)冷鐵的金屬部分,可以根據(jù)使用空間及儲(chǔ)熱需求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì),給復(fù)雜結(jié)構(gòu)且空間有限的鑄件解決縮松問題帶來新的思路。