Các lựa chọn thiết kế ảnh hưởng như thế nào đến tính toàn vẹn về kết cấu của vật đúc bằng gang?

Các quyết định thiết kế được đưa ra trước khi đổ bất kỳ kim loại nào - độ dày thành, chuyển tiếp mặt cắt, hình học phi lê, bố trí cổng và lựa chọn hợp kim - là những yếu tố chính quyết định hiệu suất cơ học của bộ phận gang. Thiết kế kém chiếm hơn 60% lỗi đúc trong môi trường sản xuất, việc đưa ra đánh giá kỹ thuật ở giai đoạn đầu sẽ tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với việc khắc phục sau quy trình.

Độ dày của tường và tính đồng nhất của mặt cắt

Độ dày của tường là biến thiết kế có ảnh hưởng nhất. Gang đông cứng từ ngoài vào trong, do đó các phần không đồng nhất tạo ra tốc độ nguội khác nhau tạo ra ứng suất bên trong, cong vênh và độ xốp.

Độ dày tường tối thiểu được đề xuất theo cấp

Tỷ lệ tiết diện lớn hơn 3:1 (dày đến mỏng) luôn tạo ra những vết rách nóng và lỗ xốp nhỏ bằng sắt xám. Các nhà thiết kế nên nhắm mục tiêu tỷ lệ tối đa là 2:1 và giảm dần các chuyển tiếp trên chiều dài ít nhất gấp ba lần chênh lệch độ dày.

Bán kính phi lê và góc nhọn

Các góc nhọn bên trong là nơi tập trung ứng suất. Trong gang - có độ dẻo không đáng kể ở các cấp màu xám (độ giãn dài <0,5%) - hệ số tập trung ứng suất (Kt) thấp tới 1,5 ở góc vuông có thể bắt đầu nứt dưới tải trọng tuần hoàn.

• Bán kính phi lê tối thiểu: 3 mm cho vật đúc nhỏ; 5–8 mm đối với các phần kết cấu.
• Bán kính phi lê bằng một phần ba độ dày của tường liền kề là quy tắc chung được chấp nhận rộng rãi trong ngành.
• Tăng bán kính phi lê từ 1 mm lên 5 mm làm giảm Kt từ khoảng 2,4 xuống 1,2, cắt giảm 50% nồng độ ứng suất do vết khía gây ra .
• Các góc bên ngoài cũng phải được bo tròn (tối thiểu 1,5 mm) để tránh xói mòn cát trong quá trình đổ khuôn, gây ra tạp chất ở phần cuối cùng.

Sườn, Boss và Mối nối phần

Các gân gia cố đạt được độ cứng mà không có khối lượng quá lớn, nhưng các gân có tỷ lệ kém sẽ tạo ra những khiếm khuyết mà chúng nhằm mục đích ngăn ngừa.

Quy tắc chia tỷ lệ chính

• Độ dày của sườn phải là 60–80% độ dày thành đáy để ngăn chặn mối nối xương sườn trở thành điểm nóng nhiệt.
• Chiều cao của sườn không được vượt quá 3× độ dày của sườn ; các xương sườn cao hơn mang lại độ cứng giảm dần đồng thời làm tăng nguy cơ chạy sai.
• Tại các điểm nối chữ T và chữ X, hãy sử dụng các cách sắp xếp so le hoặc bù đắp để phá vỡ sự tích tụ khối lượng. Điểm giao nhau của các bức tường 10 mm tạo ra một điểm nóng cục bộ 2,5–3× thể tích xung quanh , gần như đảm bảo độ xốp co ngót.
• Các lỗ cho dây buộc phải được đục lỗ nếu có thể; các khối rắn có đường kính trên 25 mm thường xuyên phát triển độ xốp ở đường tâm trong sắt xám.

Góc nháp và vị trí đường phân khuôn

Các góc nháp cho phép rút mẫu rõ ràng khỏi khuôn cát. Gió không đủ sẽ gây hư hỏng thành khuôn, tạo ra các tạp chất cát đóng vai trò là vị trí bắt đầu vết nứt với hệ số tập trung ứng suất hữu hiệu là 3–5× khi sử dụng.

• Mớn nước tiêu chuẩn: 1–2° trên bề mặt bên ngoài; 2–3° trên lõi bên trong để đúc cát bằng tay.
• Đúc bằng máy (dòng DISA, HWS) chịu được độ nghiêng 0,5° với khả năng kiểm soát kích thước chặt chẽ.
• Vị trí đường phân khuôn ảnh hưởng đến nơi hình thành tia chớp và nơi tập trung ứng suất dư sau khi gia công. Việc đặt đường phân khuôn qua một bề mặt không quan trọng sẽ tránh được việc gia công vào vật liệu chịu ứng suất.

Thiết kế Gating và Riser

Hệ thống cổng kiểm soát tốc độ dòng chảy kim loại, sự nhiễu loạn và cấp liệu. Lỗi thiết kế ở đây chịu trách nhiệm trực tiếp độ xốp co ngót, đóng lạnh và tạp chất oxit — tất cả đều làm giảm tuổi thọ mỏi từ 20–40% so với vật đúc cách âm.

Nguyên tắc thiết kế hệ thống cổng

1. Nghẹt thở ở cửa vào: Sử dụng tỷ lệ cổng điều áp (ví dụ: 1:0,75:0,5 — sprue:runner:ingate) để giữ cho hệ thống luôn đầy và giảm thiểu sự cuốn theo không khí.
2. Vận tốc lấp đầy dưới 0,5 m/s ở đầu vào của sắt xám để ngăn chặn sự hình thành màng oxit hỗn loạn.
3. Vị trí nâng lên ở phần nặng nhất: Sắt xám co lại ~1% về thể tích khi đông đặc. Mô đun của ống nâng phải lớn hơn mô đun của phần đúc ít nhất 20%.
4. Risers mù với tay áo cách nhiệt có thể giảm thể tích ống nâng tới 40% trong khi vẫn duy trì hiệu quả nạp liệu, cải thiện năng suất kim loại.

Thành phần hợp kim và sự tương tác của nó với hình học thiết kế

Hình học thiết kế và hóa học hợp kim phụ thuộc lẫn nhau. Hình dạng bộ phận giống nhau tạo ra các cấu trúc vi mô hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào lượng carbon tương đương (CE) và kích thước phần.

Cấy ghép là đồng minh của nhà thiết kế trong các hình học phức tạp. Thêm 0,1–0,3% chế phẩm FeSi vào muôi làm giảm quá trình làm mát quá mức, thúc đẩy sự phân bố vảy than chì loại A đồng đều trên các kích thước phần khác nhau và có thể phục hồi độ bền kéo bị mất lên tới 15 MPa do độ nhạy của mặt cắt.

Căng thẳng dư thừa và giảm nhiệt

Các vật đúc phức tạp với độ dày tiết diện khác nhau chắc chắn sẽ phát triển ứng suất dư trong quá trình làm mát. Bằng sắt xám, ứng suất kéo dư 50–100 MPa đã được đo trong vật đúc trống phanh không được giảm chấn - đủ để gây ra vết nứt khi kết hợp với tải trọng sử dụng.

• Giảm căng thẳng rung (VSR) ở tần số cộng hưởng trong 20–60 phút giúp giảm ứng suất dư từ 30–50% và rẻ hơn nhiều so với xử lý nhiệt đối với vật đúc lớn.
• Giảm căng thẳng nhiệt ở 500–565°C trong 1 giờ trên 25 mm chiều dày tiết diện là tiêu chuẩn cho bệ máy công cụ và vỏ thủy lực trong đó độ ổn định kích thước là rất quan trọng.
• Thiết kế đối xứng - phản chiếu sự phân bố khối lượng trên mặt phẳng phân khuôn - làm giảm sự làm mát vi sai và có thể giảm ứng suất dư xuống một nửa mà không cần xử lý sau xử lý.

Xác nhận thiết kế: Mô phỏng trước khi đổ lần đầu

Phần mềm mô phỏng đúc hiện đại (MAGMASOFT, ProCAST, Flow-3D Cast) cho phép các kỹ sư xác định các điểm nóng co ngót, vùng rủi ro chạy sai và nồng độ ứng suất dư trước khi cắt dụng cụ. Các xưởng đúc sử dụng mô phỏng báo cáo tỷ lệ từ chối bài viết đầu tiên giảm 25–40% và giảm 15–20% tổng lượng phế liệu.

Quy trình làm việc hiệu quả nhất tích hợp mô phỏng ở ba giai đoạn:

1. Đánh giá thiết kế ý tưởng - kiểm tra tỷ lệ mặt cắt, hình học đường giao nhau và góc nghiêng.
2. Tối ưu hóa cổng và ống nâng - mô phỏng quá trình lấp đầy và hóa rắn để loại bỏ độ xốp trước khi xây dựng mẫu.
3. Dự đoán ứng suất và biến dạng - xác nhận rằng độ biến dạng sau quá trình hóa rắn vẫn nằm trong dung sai cho phép gia công (thường là ± 0,5–1,0 mm đối với vật đúc chính xác).