Проектування процесу лиття та практика виробництва гусениці

Відливка башмака гусениці є критично важливим компонентом електролопати, що становить від 10% до 15% від загальної ваги обладнання. Будучи рухомою частиною гірничого обладнання, воно працює в суворих умовах і відчуває складні та змінні умови навантаження, що швидко призводить до зносу, деформації та навіть руйнування башмака гусениці. Башмаки великогабаритного обладнання зазвичай замінюються групами з високою вартістю заміни. Таким чином, гусеничні черевики повинні мати комплексні робочі характеристики, такі як висока міцність, зносостійкість, ударна в’язкість і стійкість до втоми. В даний час матеріали для лиття гусеничних черевиків в основному включають сталь з високим вмістом марганцю, низьколеговану сталь тощо, причому багато моделей за кордоном обирають башмаки гусениці з низьким вмістом легованої сталі.

Низьколегована сталь зберігає зносостійкість, пропонуючи кращі загальні характеристики, ніж високомарганцева сталь. Однак додавання легуючих елементів у низьколеговану сталь знижує теплопровідність сплаву. Це розширює діапазон затвердіння, роблячи його більш схильним до створення значного стресу під час затвердіння, що призводить до утворення тріщин. Компанія Qiming Casting дослідила процес лиття гусеничних черевиків із низьколегованої сталі та зіткнулася з такими проблемами, як тріщини та налипання піску під час пробного виробництва. У відповідь на ці проблеми ця стаття оптимізує процес лиття гусеничних башмаків, усуває ливарні дефекти та виробляє кваліфіковані вироби для лиття гусеничних башмаків.

Аналіз технічних вимог гусеничних башмаків та труднощів у процесі лиття

Технічні вимоги

Хімічний склад

Гусеничні башмаки відлиті з високоміцної низьколегованої сталі та мають гарну зносостійкість та ударостійкість. Конкретний матеріал модифіковано відповідно до AS-1444-Grade4320. Хімічний склад наведено в таблиці 1.

Вимоги до якості

Виходячи з умов використання різних структурних частин гусениці, її поділяють на критичні та некритичні зони. Критичними областями є області, обмежені ламаною лінією на малюнку 1, і частини вуха шпильки. Під час пробного виробництва виливки повинні пройти загальний візуальний, розмірний, магнітопорошковий та ультразвуковий контроль. Після механічної обробки отвори під штифти повинні пройти проникаючу перевірку на обробленій поверхні. Після термічної обробки зразки також повинні бути розсічені відповідно до вимог, причому місця розтину показані на малюнку 1. Після розтину на розсічених поверхнях проводять пенетрантний, магнітно-порошковий, ультразвуковий та радіографічний контроль. Оздоблення поверхні виливка має відповідати вимогам стандартів візуального контролю ASTM A802, а поверхня виливка не повинна мати налипання піску або оксидної шкіри. Ультразвуковий контроль проводиться відповідно до стандартів ультразвукового контролю AS2574-2000 – Castech, з вимогами першого рівня для критичних зон і вимогами другого рівня для некритичних зон. Рентгенографічне обстеження проводиться відповідно до ASTM E94 – Стандартного посібника з радіографічного обстеження, причому дефекти в критичних зонах A, B і C обмежені до рівня менше 2-го, тоді як дефекти в D, E і F не допускаються. У некритичних областях дефекти A і B повинні бути менше 2-го класу, C менше 3-го класу, а дефекти D, E і F не допускаються. У зв'язку з жорсткими вимогами до якості виливків, до процесу лиття пред'являються високі вимоги.

Аналіз труднощів процесу лиття

Характеристика структури продукту

Башмак гусениці є критично важливим компонентом електричної лопати, як показано на малюнку 2. Окрема вага цього продукту становить 909 кг із габаритними розмірами 1,400 мм x 760 мм x 430 мм. Виріб має значні варіації товщини стінок, з максимальною товщиною 190 мм і мінімальною товщиною 40 мм, з основною товщиною в діапазоні від 70 мм до 120 мм. На кожній стороні гусениці є три отвори для штифтів, які потрібно обробити. Використання тривимірної графіки виробу дозволяє чітко спостерігати за внутрішньою структурою виливка. Башмаки гусениці можна розділити на кілька взаємно незалежних областей, включаючи центральну зірочку, шість шпилькових вушок і тринадцять великих дуг, що з’єднують шпилькові вушка з корпусом, як показано на малюнку 2. Складний поперечний переріз зображено на малюнку 3.

Аналіз схильності до розтріскування

Характеристики сплавів, раптові зміни товщини стінки та обмежена усадка можуть збільшити схильність виливків до утворення тріщин. Відливки зі сплавів високої гарту під час зварювання схильні до утворення мартенситу, що ускладнює ремонт тріщин і навіть призводить до браку продукції. Таким чином, зменшення появи тріщин у литих башмаках гусениці є ключовим аспектом проектування процесу. Відповідно до аналізу структури виливка відомо, що дугоподібна частина, яка з’єднує вуха штифта з корпусом, є зоною, де піщана форма під час затвердіння найбільш ймовірно перешкоджає виливку. Ця зона зазнає значних коливань товщини стінок і є найбільш сприйнятливою областю до утворення тріщин у відливці, тому вимагає особливої ​​уваги при проектуванні процесу.

Розробка процесу лиття гусениці

Основні умови виробництва

Процес передбачає використання піщаного формування з фенольних смол, виготовлення серцевини та плавлення сплаву в 2-тонній середньочастотній печі. Застосовується машинне формування, стрижні виготовляються вручну. На робочі поверхні піщаних форм і стрижнів нанесено порошкове спиртове покриття з силікатного цирконію.

Вибір роздільної поверхні

Башмаки гусениці виготовлені з низьколегованої сталі, і процеси її усадки під час рідини та усадки при затвердінні вимагають споживання певної кількості розплавленої сталі, тому її потрібно поповнювати через стояки до виливка. Поверхня протектора гусеничних башмаків, виступ зірочки та вуха шпильки є критичними ділянками, і їх слід спочатку помістити на дно форми. У той же час розміщення великої плоскої поверхні у верхній частині форми полегшує розташування та очищення стояків. Щоб спростити структуру сердечника та полегшити видалення сердечника, лінія розділення розроблена на площині, де розташований центр отвору для шпильки. Спрощена схема процесу лиття показана на малюнку 4.

Дизайн піщаного сердечника

На основі визначеної лінії розділення виконується конструкція піщаного сердечника для лиття башмаків гусениці, як показано на малюнку 5. Піщані сердечники для шести зовнішніх отворів для штифтів мають циліндричну структуру, що є простим і легким у виготовленні. Піщане ядро ​​внутрішньої порожнини має L-подібну форму. Велика стрижнева головка розміщена в хвості для забезпечення позиціонування та фіксації, тоді як циліндрична стрижнева головка розміщена на голові для додаткового позиціонування та фіксації, тим самим запобігаючи зміщенню та плаванню піщаних стрижнів.

Розташування стояка та охолодженого чавуна

Основними гарячими точками башмака гусениці є центральна втулка зірочки та точки з’єднання вушок шпильки з корпусом, всього 7. Розміщуючи охолодження, гарячі точки на втулці зірочки та її боках об’єднуються в одну гарячу точку. У нижній частині та з боків вух шпильок розташовані холодні точки, щоб дві зовнішні гарячі точки могли поділити один стояк. Таким чином, для лиття потрібні лише 3 стояки, як показано на малюнку 6.

Дизайн воріт системи

Система ливарного лиття — це канал, через який розплавлена ​​сталь заповнює порожнину ливарної форми. Добре спроектована система литників може зменшити швидкість надходження розплавленої сталі в порожнину форми, зменшити турбулентність, мінімізувати окислення сталі, покращити плавність процесу заливки, зменшити ймовірність пористості та пом’якшити вплив розплавленої сталі на піщану форму. , тим самим зменшуючи ризик дефектів литва. Система литників для лиття гусеничних башмаків показана на малюнку 7 із співвідношенням площ перетину кожного компонента, визначеним за допомогою розрахунків наступним чином: A Прямий : A Поперечний : A Внутрішній = 1 : 1.12 : 1.43, утворюючи відкриту заливну систему.

Дизайн хромітового піску

Порівняно з кремнеземним піском хромітовий пісок має вищу вогнетривкість, що може зменшити тенденцію до прилипання ливарного піску до місць розміщення. Крім того, хромітовий пісок може прискорити швидкість твердіння в місцях розміщення, дозволяючи ливарній поверхні в цих зонах швидше набирати міцність, таким чином зменшуючи тенденцію до розтріскування. Зі структури башмака гусениці видно, що дугоподібна частина, яка з’єднує вушка цапфи з корпусом, перешкоджає піщаній формі під час затвердіння відливки, що призводить до значного напруження. У поєднанні з великою товщиною стінок у цій зоні встановлення міцності відбувається відносно повільно, що робить його схильним до розтріскування. Тому в цю зону слід помістити хромітовий пісок, щоб зменшити утворення тріщин, як показано на малюнку 6.

Ділянки поверхні лиття та навколишніх ділянок, де розміщуються холоди, відчувають значні градієнти температури під час затвердіння рідкого металу, що призводить до стресу усадки. Зокрема, розміщення холодів навколо товстих секцій виливка створює значне напруження, яке може легко перевищити міцність металевої рідкої плівки, викликаючи дефекти тріщин. Розміщення хромітового піску з хорошими властивостями зберігання тепла між виливком і охолодженням може запобігти утворенню тріщин. Тому в технологічному проектуванні лиття башмаків гусениці хромітовий пісок товщиною 10–20 мм поміщають навколо холодів у товсті секції литва.

Прогнозування можливості процесу лиття

Аналіз моделювання процесу затвердіння

Малюнок 9 ілюструє розподіл рідкої фази під час процесу затвердіння лиття гусениці. На малюнку показано, що виливок починає твердіти з нижньої та бічних ділянок, де розміщені холодки, поступово твердіючи знизу вгору, причому останніми твердіють три стояки. Виливка досягає загального послідовного затвердіння знизу вгору, без ізольованих областей рідкої фази, що утворюються всередині виливка під час процесу затвердіння. На малюнку 10 показано розподіл усадки і усадочних пустот у відливці. На малюнку видно, що усадка та усадочні порожнечі розподілені в литниковій системі та стояках, без усадки чи усадкових порожнеч у самій відливці. Отже, розробка процесу досягла очікуваних результатів.

Пробне виготовлення продукції та аналіз дефектів

На основі конструкції процесу лиття гусениці було проведено випробування продукту. Сталь плавили в 2-тонній середньочастотній печі і розливали за допомогою 3-тонного донного розливного ковша. Температура розплавленої сталі на виході становила 1605°C, температура розливу становила приблизно 1580°C, а виміряний час розливу становив від 55 до 70 секунд. Відливка після виймання з форми показана на малюнку 11. Після очищення від піску та дробеструйної обробки було проведено зовнішній огляд, а потім такі процеси, як шліфування, дробеструйна обробка, магнітно-порошкова перевірка, ультразвукова перевірка, розтин щільності, розтин методом проникнення блоків, а також ультразвукове обстеження аутопсійних блоків.

Під час зовнішнього огляду було виявлено, що всередині штифтових отворів виливка є дефекти, пов’язані з налипанням піску, і деяку частину піску, що налипає на певних ділянках, було важко впоратися, як показано на малюнку 12. Причиною налипання піску в цих областях була малий діаметр піщаного ядра, що дозволяло розплавленій сталі нагрівати піщане ядро ​​до високої температури під час заповнення та затвердіння.

Після розтину було встановлено, що у внутрішніх кутах виливка також були дефекти, пов’язані з налипанням піску, з тієї ж причини, що й налипання піску в отворах для шпильок. Магнітно-порошкова перевірка блоків розтину виявила численні тріщини у внутрішніх кутах, як показано на малюнку 12. Ці тріщини утворилися тому, що ця область є замкнутою порожниною, і під час затвердіння вона відчуває напругу, що перевищує межу міцності сплаву через перешкоди з піщаного ядра, що призводить до термічного розтріскування.

 

Оптимізація процесів і перевірка виробництва

Високовогнетривкий хромітовий пісок використовувався для усунення дефектів прилипання піску в отворах для штифтів, причому всі піщані серцевини в отворах для штифтів були повністю виготовлені з хромітового піску. Що стосується дефектів тріщин у внутрішніх кутах виливка, з одного боку, серцевинний пісок був замінений хромітовим піском, щоб прискорити швидкість затвердіння поверхневої частини внутрішньої порожнини, що дозволяє поверхні внутрішньої порожнини встановити міцність. швидше. З іншого боку, під час виробництва піщаного сердечника для покращення складання піщаного сердечника були розміщені вентиляційні мотузки та солом’яні мотузки. Після оптимізації процесу було проведено пробне виробництво, а дефекти налипання піску та тріщини у виливку були усунені. Виливок пройшов зовнішній огляд, магнітопорошкову перевірку, ультразвуковий контроль, розтин щільності, проникаючий контроль блоків розтину та ультразвуковий контроль блоків розтину, усі вони відповідають вимогам. У подальшому було проведено рентгенологічне обстеження аутопсійних блоків, результати якого відповідали вимогам технічних умов. Готові відливки та їх блоки розтину показані на малюнку 13.

 

Підсумувати

1. Для виливків із суворими вимогами до щільності можливий поділ виливка на різні області. Шляхом координації розміщення стояків і холодів можна досягти послідовного затвердіння в окремих областях, таким чином досягаючи послідовного затвердіння всієї виливки. Це гарантує, що внутрішня щільність виливка відповідає вимогам.
2. Якщо лиття містить замкнуті порожнини та зони концентрації напруги, розміщення хромітового піску в цих зонах може зменшити дефекти прилипання піску. Використовуючи хромітовий пісок для прискорення затвердіння в цих областях, доцільно збільшити здатність піщаних серцевин до згортання, щоб зменшити або запобігти тріщинам лиття.