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大型机床球铁件铸造工艺及其组织性能的研究

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摘要

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附表索引

第1章 绪论

1.1 高档数控机床国内外发展状况

1.1.1 美国数控机床发展概况

1.1.2 德国数控机床发展概况

1.1.3 日本数控机床发展概况

1.1.4 我国数控机床发展概况

1.2 球墨铸铁的发展现状

1.2.1 球墨铸铁的组织性能特点

1.2.2 球墨铸铁的应用

1.3 厚大断面球墨铸铁

1.3.1 厚大断面球铁研究概况

1.3.2 厚大断面球墨铸铁凝固组织特点与缺陷

1.3.3 厚大断面球墨铸铁质量控制措施

1.4 铸造过程计算机模拟仿真

1.4.1 铸造过程计算机模拟仿真的发展及应用

1.4.2 铸造CAE软件ProCAST

1.5 论文的主要研究内容

第2章 壁厚对球墨铸铁组织和性能的影响

2.1 引言

2.2 试验过程及方法

2.2.1 试验材料

2.2.2 铁液的熔炼

2.3 试验结果及分析

2.3.1 壁厚对球铁组织的影响

2.3.2 力学性能分析

2.4 本章小结

第3章 滑枕铸造工艺的模拟与优化

3.1 引言

3.2 模拟过程与方法

3.2.1 ProCAST计算流程

3.2.2 有限元模型的建立

3.3.3 边界条件的设定

3.3 模拟结果与分析

3.3.1 铸件充型速度模拟结果与分析

3.3.2 铸件凝固顺序模拟结果及分析

3.3.3 铸件缩孔、缩松预测结果与分析

3.4 模拟方案的改进

3.5 改进方案的模拟结果与分析

3.5.1 改进方案铸件的充型速度模拟结果与分析

3.5.2 改进方案铸件的凝固顺序模拟结果与分析

3.5.3 改进方案铸件缩孔、缩松预测结果与分析

3.6 本章小结

第4章 滑枕的生产与变异石墨的研究

4.1 引言

4.2 试验过程与方法

4.2.1 试验方案

4.2.2 试验过程

4.3 试验结果及分析

4.3.1 组织成分分析

4.3.2 力学性能分析

4.4 报废铸件本体取样分析

4.4.1 不同壁厚试块石墨金相组织分析

4.4.2 不同壁厚试块石墨结晶核心分析

4.4.3 不同壁厚试块石墨畸变分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

机床工业是装备制造业的基础产业。随着零部件向高性能、轻量化、整体化、精密化方向发展,对数控机床的精度与性能也提出了新需求。目前国产机床的精度保持性、质量稳定性等方面与国外机床还有差距,国产机床应用在粗加工或半精加工环节。滑枕作为高档数控机床的关键零部件,其品质好坏直接关系到高档数控机床精度与性能,滑枕的自主设计制造,并保证其良好的品质对实现我国高档数控机床的高精度、高性能具有重要的应用价值。
   TK6920A-20C020是某公司生产的滑枕型号,属于厚大断面球墨铸铁件,材质为QT600-3。本文以该型号滑枕为研究对象,针对滑枕的几个主要壁厚,采用T型模拟试块,研究了不同壁厚下球墨铸铁的石墨形态、基体组织与力学性能,研究发现在试块壁厚小于80mm时,球化级别达到2级以上,基体组织以珠光体为主,力学性能能够满足QT600-3的性能指标。试块壁厚大于80mm时,石墨球径增大明显,石墨形态出现恶化,基体中铁素体含量逐渐增多,力学性能达不到QT600-3的性能指标。试验结果为滑枕件中冷铁的布置工艺提供指导。
   采用UG NX软件对滑枕铸件及其浇注系统进行三维实体建模,采用ProCAST软件对滑枕铸件的铸造过程进行模拟,分析铁液的化学成分、浇注温度以及冷铁对铁液充型速度、铸件各表面凝固顺序、缩孔和缩松缺陷的影响,并对铸造工艺参数进行优化。模拟结果表明,化学成分为3.6C2.1Si0.3Mn0.5Cu的铁液相比3.0C2.1Si0.3Mn0.5Cu的铁液,充型过程更为平稳,凝固过程中铸件各表面凝固顺序差异相对较小,缩孔、缩松缺陷相对较少,降低浇注温度,并针对滑枕铸件高压油孔等重要部位以及热节处的壁厚布置冷铁,可以有效缩短该部位的凝固时间,减少缩孔、缩松缺陷的数量。在确定最佳铸造工艺参数之后,对滑枕铸件三维实体模型进行改进,优化后的模拟结果表明,滑枕铸件上部天窗附近的缩孔、缩松缺陷得以消除。
   在上述试验的基础上,采用生铁增碳工艺和增碳剂增碳对滑枕铸件进行生产试制,研究不同增碳工艺下铸件的组织性能及外观品质。试验结果表明:在增碳剂增碳的工艺下,试块石墨球更细小、圆整,抗球化衰退、抗孕育衰退能力更强。采用生铁增碳工艺时铸件由于产生的缩孔、缩松缺陷过多,无法焊补而报废。
   在报废滑枕铸件不同壁厚位置取样,发现铸件不同壁厚处石墨形态与数目主要受冷却速度影响,在厚壁筋板处布置冷铁可以改善石墨形态,增加石墨球数目;薄壁处未布置冷铁,石墨形态差,数目少;油孔部位石墨球数目少,石墨形态变异严重,铸件未产生明显收缩缺陷。通过扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱仪(EDX)分析,发现在无晶体增碳剂情况下,石墨核心主要是稀土氧化物,少量石墨核心为硫化物、碳化物。在电炉熔炼球铁工艺下,铁液纯净,利用Mg、RE中和铁液中的反球化元素效果不明显,球化、孕育处理过程中易造成Mg、RE的残留量过高,容易与基体中偏聚的Sb、Cu等合金元素形成的白色第二相,破坏奥氏体壳稳定性,引起石墨变异。

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