（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

1 前言

鑄件在凝固冷卻過(guò)程中，因各部位冷卻速度的差異，無(wú)法同時(shí)收縮和相變，相互阻礙，產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。鑄造殘余應(yīng)力的存在，會(huì)使鑄件在機(jī)加工之后發(fā)生變形，降低零件精度，更為重要的是在交變載荷的作用下降低了零件的承載能力，當(dāng)作用應(yīng)力的方向與殘余應(yīng)力的方向相同時(shí)，應(yīng)力疊加，可能超出鑄件的強(qiáng)度極限，發(fā)生斷裂。因此，減少鑄造殘余應(yīng)力是獲得優(yōu)制鑄件的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，消除鑄造殘余應(yīng)力方法有自然時(shí)效、人工時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效等，各種工藝效果如何，缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此，本文針對(duì)各工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了定量的分析研究。

2 研究方案

2.1 試驗(yàn)材料

選取風(fēng)電用主軸軸承架作為研究載體，材料為球墨鑄鐵QT400-18AL，球鐵彈性模量較高且對(duì)凝固冷卻速度非常敏感，其鑄件內(nèi)應(yīng)力一般比灰鑄鐵件高1～2倍。其主要機(jī)械性能見(jiàn)表1。

表1 主軸軸承架性能要求

2.2 研究方案

試驗(yàn)方法選用盲孔釋放法。應(yīng)力測(cè)量?jī)x型號(hào)：YC—Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x；應(yīng)變片型號(hào)：Tj-120-1.5-Φ1.5；靈敏系數(shù)：2.07±0.2%；孔徑：1.5mm；孔深： 1.5～2mm。

測(cè)試鑄件編號(hào)和狀態(tài)見(jiàn)表2，測(cè)量點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。不同狀態(tài)下應(yīng)力測(cè)試位置應(yīng)大致相同。

表2 不同狀態(tài)下應(yīng)力測(cè)試情況

3 鑄態(tài)殘余應(yīng)力的大小和分布

測(cè)量了7件軸承架的鑄態(tài)應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。分析可以看出，軸承架表面為拉應(yīng)力，殘余應(yīng)力按測(cè)試點(diǎn)編號(hào)基本呈矩齒尺形分布。7個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均應(yīng)力值見(jiàn)表3，圖3為7件鑄件不同點(diǎn)的平均應(yīng)力值的分布圖。7件鑄件的平均拉應(yīng)力為211 MPa，略高于鑄鐵手冊(cè)上球鐵的殘余應(yīng)力的參考值180MPa。

表3 平均應(yīng)力值

筋板上點(diǎn) (4、6點(diǎn))的平均殘余應(yīng)力分別為163MPa和134MPa，遠(yuǎn)小于主軸孔端面上點(diǎn)(3、5、7點(diǎn))平均應(yīng)力值250 MPa、 280 MPa和222 MPa。這是因?yàn)槔鋮s過(guò)程中，鑄件的壁厚差越大，由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時(shí)厚薄兩部分的溫差越大，線收縮受熱阻礙而產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大。同時(shí)，溫差越大，在相變過(guò)程中，相變不同時(shí)發(fā)生程度越大，產(chǎn)生相變應(yīng)力也越大。筋板較薄，內(nèi)外溫差較小，因而其發(fā)生線收縮和相變的時(shí)間和程度接近，故鑄造應(yīng)力小。

方凸臺(tái)上點(diǎn) (1、2點(diǎn))，位置對(duì)稱，理論上講，應(yīng)力值應(yīng)該近似。但測(cè)試結(jié)果相差較大（1點(diǎn)平均值為251.2 MPa，2點(diǎn)為176.1 MPa）。 這是因?yàn)?、 2兩點(diǎn)同處于冒口根部附近，該位置渣滓無(wú)法上浮，夾在鑄件表面。從7件鑄件表面來(lái)看，1、2兩點(diǎn)的表面質(zhì)量較之其他位置較差，尤其是1點(diǎn)表面，表面質(zhì)量非常差，可能影響了應(yīng)力的大小。

4 各工藝對(duì)鑄造殘余應(yīng)力的影響

4.1 人工時(shí)效后殘余應(yīng)力的大小和分布

為分析人工時(shí)效對(duì)殘余應(yīng)力的影響，將兩件軸承架進(jìn)行人工時(shí)效，工藝曲線見(jiàn)圖4。時(shí)效時(shí)要求升溫速度不大于80℃/h，降溫爐冷速度不大于75℃/h，爐冷到150℃出爐空冷。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 人工時(shí)效前后殘余應(yīng)力σ1大小 MPa

從表4中分析，經(jīng)過(guò)人工時(shí)效后DQZ3854A和DQZ3868A鑄件的鑄態(tài)平均應(yīng)力由196.9MPa和265.9 MPa下降到134.2MPa和106.8MPa，消除率分別為31.8%和59.8%，從圖5和圖6可以看出，應(yīng)力分布的均勻性也得到了改善，均化程度分別提高了6.1%和22.8%。

4.2 振動(dòng)時(shí)效后殘余應(yīng)力的大小和分布

振動(dòng)時(shí)效又稱振動(dòng)消除應(yīng)力法，是以機(jī)械振動(dòng)的形式對(duì)工件施加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的總應(yīng)力超過(guò)金屬材料的屈服強(qiáng)度會(huì)發(fā)生微觀和宏觀的塑性變形，從而降低該處的殘余應(yīng)力峰值，達(dá)到應(yīng)力均勻化的目的；另外，振動(dòng)引起位錯(cuò)的增值和移動(dòng)，使材料的屈服點(diǎn)上升，從而提高了金屬的抗變形能力，達(dá)到了穩(wěn)定工件尺寸的目的。振動(dòng)時(shí)效與熱處理相比主要具有處理周期短、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，且處理后應(yīng)力分布均勻，所以發(fā)展迅速，在大重型結(jié)構(gòu)件上得到了應(yīng)用。

從表5分析看出，DQZ3887A、DQZ3874A、DQZ3869A，應(yīng)力平均消除率分別為34.4%、11.3%、23.1%。三件鑄件鑄態(tài)的平均應(yīng)力為220 MPa，振動(dòng)時(shí)效后的平均應(yīng)力為170 MPa，平均消除率為22.5%。

表5 振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力σ1大小 MPa

除了DQZ3887A可能因?yàn)樘幚頃r(shí)間不夠，應(yīng)力均勻化程度降低了5.8%外（見(jiàn)圖7），其余兩件振動(dòng)后應(yīng)力均化程度分別提高了46.5%和65.9%（見(jiàn)圖8和圖9）。

4.3 拋丸后殘余應(yīng)力的大小和分布

選取4件主軸軸承架進(jìn)行了拋丸表面處理。彈丸為鋼絲切丸，直徑為1.5mm，拋丸器為Q035ZI8×6臺(tái)，單臺(tái)拋丸量為310kg/min，拋射速度為80m/s。拋丸時(shí)間為20min。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 拋丸前后殘余應(yīng)力σ1大小 MPa

從表6中可以看出，經(jīng)過(guò)拋丸的表面處理，軸承架表面的平均應(yīng)力分別從186.1MPa、168.0MPa、196.9MPa和265.9MPa變?yōu)?215.4MPa、 -246.0MPa、-348.3MPa和-169.4MPa。應(yīng)力分布見(jiàn)圖10、圖11、圖12和圖13。經(jīng)過(guò)拋丸處理，鑄件表面由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，這是因?yàn)閽佂柽^(guò)程中，彈丸以80m/s的速度沖擊鑄件表面，鋼丸巨大的動(dòng)能除去被反射帶走和因除去表面粘砂和氧化皮的損耗外，其余被鑄件吸收，導(dǎo)致表層顯微組織結(jié)構(gòu)改性（晶粒、亞晶粒以及位錯(cuò)組態(tài)等變化），同時(shí)引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。拋丸后壓應(yīng)力大小和鑄件的結(jié)構(gòu)和被沖擊的量有關(guān)。

就破壞而言，金屬材料表面存在拉應(yīng)力時(shí)比壓應(yīng)力要容易得多，表面呈壓應(yīng)力時(shí)，材料的疲勞壽命大大提高。因此，對(duì)于軸類等容易疲勞斷裂的部件通常采用噴丸形成表面壓應(yīng)力，提高產(chǎn)品壽命。但相關(guān)報(bào)道指出，拋丸后在工件表面形成的壓力場(chǎng)，將促進(jìn)表面的銹蝕，所以應(yīng)作防銹處理。

5 結(jié)論

（1）球鐵風(fēng)電主軸軸承架的鑄態(tài)平均殘余應(yīng)力為211 MPa，雖然影響殘余應(yīng)力的因素較多，但殘余應(yīng)力分布有著大致相同的規(guī)律；

（2）人工時(shí)效能有效地降低鑄件的殘余應(yīng)力。測(cè)試兩件的平均應(yīng)力由231.4 MPa變?yōu)?20.5 MPa，平均消除率為47.9%，同時(shí)人工時(shí)效后，殘余應(yīng)力的均勻化也得到了提高；

（3）振動(dòng)時(shí)效能有效地消除一部分殘余應(yīng)力。三件鑄件測(cè)得的鑄態(tài)的平均應(yīng)力為220 MPa，振動(dòng)時(shí)效后的平均應(yīng)力為170 MPa，平均消除率為22.5%。振動(dòng)時(shí)效平均均勻化程度提高了56.2%；

（4）短時(shí)的拋丸能顯著地改變金屬表面應(yīng)力分布，不僅能減小拉應(yīng)力，甚至能改變應(yīng)力屬性，由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，本試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)拋丸后，平均應(yīng)力由204.23MPa變?yōu)?244.8MPa，有害應(yīng)力得到消除。但拋丸后的鑄件應(yīng)作好防銹防護(hù)。

從以上分析可以看出，各種工藝在處理時(shí)間、處理成本和處理效果方面各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)鑄件的種類及要求來(lái)選取有效、經(jīng)濟(jì)的工藝。

[1]溫永都，李冬琪，朱承興.鑄造檢驗(yàn)技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989，6

[2]王君卿.鑄造手冊(cè)，鑄造工藝第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，1