一種大直徑半圓形薄壁鑄件變形機理及防治措施

李成志，陳得潤，田定琪，王龍虎，周 龍

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

1 鑄件結構及成分

礦山機械是一種處理礦石，使低品質的礦石具有較高利用價值的機械。其主要應用于采礦、選礦、探礦等作業。隨著人類社會的不斷發展，礦產資源的開采發展迅猛，開采深度逐漸加大，開采的環境也越來越復雜，由陸地到海洋，由淺層開發到深層開發，使得對礦山機械的要求變得越來越高。礦山機械也不得不向著大型化、數字化、智能化、生態化以及國際化發展。

本文研究的大直徑半圓形薄壁鑄件，屬于礦山機械的主要部件，符合礦山機械面向大型化發展的需求，其主要成分及機械性能詳見表1、表2。

表1 鑄件材質主要合金元素成分 w/%

表2 鑄件材質主要力學性能

從表1 可以看出，大直徑半圓形薄壁鑄件屬于普通碳鋼鑄件，其Cr、Mo、Ni 合金元素含量較低。在此條件下，經過正回火處理后，其強度也基本能夠符合表2 中要求。其抗拉強度相對普通低合金鋼來說，相對較低。加之此類鑄件直徑大，壁厚不均勻，最大壁厚為144mm,最薄壁厚僅為90mm,鑄件自重為36t。由于以上原因，此類鑄件的變形控制將成為難點。

圖1 鑄件內腔示意圖

圖2 鑄件外皮示意圖

圖3 鑄件輪廓尺寸圖

圖4 鑄件形線測量布點圖

2 變形趨勢分析

試驗一：選取熱處理后的鑄件進行內腔及外皮形線測量，布點要求見圖4，后續測量均按此要求布點，測量外皮加量。具體數據見表3、4，統計分析見圖5、6。

表3 外皮形線測量結果

表4 內腔形線測量結果

圖5 外皮形線測量結果分析

圖6 內腔形線測量結果分析

從數據分析可以看出此類鑄件的變形趨勢為：外腔呈現M 型變形，內腔與外腔相返呈W 型變形。從最大變形測量點集中分布的部位來看，最大變形量出現在36°～72°，126°～162°這兩個區間。

工藝補正量：由于前期分析的M型與W 型變形趨勢，考慮到變形區域以及鑄件本身形線特征，采取過度性工藝補正量，具體見圖7～8。

圖7 內腔工藝補正量趨勢圖

圖8 外皮工藝補正量趨勢圖

內腔工藝補正量：如圖7 所示，從45°開始，向0°與90°兩側過度貼量，45°補正量最大為30mm，0°與90°部位補正量0mm，同理135°開始向兩側過度貼量。

外腔工藝補正量：如圖8 所示，從0 度與180°分別向45°與135°過度貼量，180°與0°位置補正量為30mm，135°與45°補正量為0mm。

試驗二：對增加反變形工藝貼量的同類型鑄件，進行形線驗證，測量結果見表5、6，分析結果見圖9、10。

從表5、6 以及圖9、10 看出，增加工藝補正量后，鑄件內外腔型線M 與W 型變形程度大大減小，各個點加量均為正值，且同緯度上的點，其差值也大大減少，整個鑄件內外腔加量更加趨于均勻。

表5 外皮形線測量結果

表6 內腔形線測量結果

圖9 外皮形線分析結果

圖10 內腔形線分析結果

3 焊接變形及防變形措施

此類鑄件外腔焊補，將造成嚴重的外腔塌陷變形，表7、8 為外腔斜面大面積焊補前后，鑄件形線測量結果對比：從表7 與表8 數據對比來看，外腔54°～126°之間壁厚下蹋較為嚴重，除此，第一行中的0°與180°部位下蹋也非常明顯。此兩部位為鑄件小端頭兩側位置。

表7 外皮焊補前測量結果

表8 外皮焊補后測量結果

焊接防變形措施：主要從焊接方式以及防變形拉筋焊接兩面入手。焊接方式主要采用手工焊接的方式，在堆焊過程中，將焊接區域劃分為若干個小區域，一般為200×200 見方的區域進行堆焊，且采取分區域對稱的方式焊接，主要是為了防止集中堆焊產生大量的熱量。此外，相鄰區域相接部位采用風鏟機械錘擊，以此來釋放相接部位的焊接應力。防變形拉筋的焊接方式，詳見圖11、12。其中焊接防變形支撐分布詳見圖11。

圖11 防變形拉筋焊接示意圖

圖12 防變形拉筋分布圖

4 熱處理裝爐方案

針對此類鑄件，熱處理裝爐方式也很重要，也是影響鑄件尺寸的重要環節。本文主要采用倒裝的方式。既可以選擇單件倒裝也可以采用合缸倒裝的方式，具體見圖13～15。

圖13 裝爐墊鐵擺放示意圖

圖14 鑄件合缸把合方式示意圖

圖15 裝爐墊鐵分布圖

圖13 中，合缸裝爐墊鐵采取兩層擺放，圖15展示了具體墊鐵程半圓形擺放。這主要受鑄件形狀決定。鑄件合缸時，采用圖14 中把合方式。若鑄件不進行合缸熱處理，單半進行熱處理，亦可以采用這種倒裝的方式。

5 總結

通過研究對比大直徑半圓形薄壁鑄件在鑄造、焊接及熱處理過程中的形變數據，得出了鑄件M 型與W 型變形機理，同時還得出外皮焊接量越大，鑄件塌陷越嚴重。針對鑄件M 型與W 型變形機理，在鑄造過程中，需及時增加工藝補正量，防止鑄件因變形而導致的粗加黑皮現象。恰當的工藝補正量及良好的鑄造外表面質量，可減少外腔的缺陷、尺寸焊補量，從而能夠減少因外皮焊接導致的塌陷變形，焊接防變形措施主要從焊接方式以及防變形拉筋焊接兩面入手。熱處理防變形的核心，主要集中在裝爐墊鐵擺放形式、以及鑄件內部防變形支撐焊接的部位。通過增加工藝補正量措施，可有效避免因變形導致尺寸缺量焊補，同時輔以相應的焊接及熱處理防變形措施，可有效減少鑄件返修次數，進而降低大直徑半圓形薄壁類鑄件返修成本。