1. 介绍
工业机械铸件 是现代重型设备制造的基础.
他们可以生产大型, 复杂的, 以及耐用的组件，这些组件很难或不经济化。.
通过结合复杂的几何形状, 综合功能细节，例如肋骨, 老板, 和流体通道, 并在单个操作中控制的冶金特性, 铸件在性能方面提供了无与伦比的优势, 可靠性, 和成本效率.
从采矿和能源到汽车, 农业, 和施工, 铸件在交付可承受极端负载的机器中起着关键作用, 磨料环境, 和长期的占空比.
2. 为什么铸件在重工业中很重要
铸件为工业机械提供了三个决定性的优势:
- 功能集成和减少零件计数. 单个铸造外壳可以替代多个焊接板, 紧固件和加工的子组件.
减少了组装时间, 泄漏和容易疲劳的关节, 和长期维护需求. - 定制冶金. 铸造厂可以提供广泛的合金调色板 - 从灰铁到镍基超级合金 - 使设计师能够优化耐磨性, 韧性, 温度能力和耐腐蚀性很重要.
- 规模和经济. 非常大的组件 (泵外壳, 涡轮机, 挖掘机框架) 通常是不经济的固体制造或机器; 铸造是唯一的规模和合理成本的实用途径.
在系统级别，这些优势转化为更高的可靠性, 服务连接较少, 许多类别的工业设备的总生命周期成本降低.
3. 工业机械铸件的材料选择
工业机械铸件 必须在极端运行条件下可靠地执行, 磨料磨损, 热循环, 和腐蚀性环境.
因此，材料选择是一项战略工程决策，直接影响安全, 效率, 和生命周期成本.
材料选择的关键考虑因素
- 机械性能: 抗拉强度, 韧性, 疲劳性抗性, 硬度, 并戴阻力.
- 热行为: 能够承受高工作温度的能力, 热疲劳, 和散热.
- 耐腐蚀性: 暴露于水的机械至关重要, 化学物质, 或农业环境.
- 可加工性和可焊性: 对后铸造很重要, 维修, 或与其他组件集成.
- 成本和可用性: 平衡性能与采购和生命周期经济学.
常见合金和应用
| 材料 | 特性 | 典型的应用 |
| 灰色铸铁 | 高阻尼容量, 良好的可加工性, 成本效益 | 发动机块, 泵外壳, 大型机器基地 |
| 公爵 (结节) 铁 | 高拉伸强度, 延性, 良好的疲劳阻力 | 悬架零件, 重型齿轮, 压力外壳 |
| 压实石墨铁 (CGI) | 比灰铁更高, 良好的导热率 | 柴油发动机块, 气缸盖, 排气歧管 |
| 碳 & 合金钢 (铸钢) | 优秀的力量和韧性, 热处理 | 起重机钩, 采矿设备, 压力容器 |
| 高分子白熨斗 | 出色的硬度和耐磨性 | 破碎机衬里, 研磨磨坊零件, 浆液泵 |
锰钢 (哈德菲尔德钢铁) |
高冲击电阻, 工作硬化特性 | 粉碎机下巴, 挖掘机桶牙 |
| 铝合金 | 高强度重量比, 耐腐蚀性 | 汽车住房, 轻型机械零件 |
| 青铜和铜合金 | 上滑动磨损特性, 耐腐蚀性 | 轴承, 衬套, 海洋组成部分 |
| 基于镍的超级合金 | 高温强度和耐腐蚀性 | 涡轮刀片, 发电组件 |
4. 工业机械的核心铸造过程
性能和成本效益 工业机械铸件 严重取决于铸造过程的选择.
每个过程在尺寸能力方面都具有不同的优势, 精确, 表面饰面, 和生产经济学.
| 过程 | 典型的规模 / 体积 | 典型的合金 | 关键优势 | 典型的局限性 |
| 沙子铸造 | 小→很大; 低→中体积 | 铁, 钢, 铝, 青铜 | 低工具成本; 大零件; 灵活的 | 粗糙的表面; 需要更多的加工 |
| 熔模铸造 | 小→中等; 低→中体积 | 防锈的, 镍, 一些钢, 青铜 | 出色的饰面; 薄壁; 复杂的细节 | 更高的单位成本和周期时间 |
| 铸造 | 高量 | 铝, 锌, 镁 | 高精度; 出色的表面饰面; 快速周期 | 高工具成本; 仅有色人种 |
| 永久模具 / 低压 | 中等体积 | 铝, 一些钢 | 比沙更好的可重复性; 好的微观结构 | 霉菌几何极限; 霉菌寿命 |
| 离心铸件 | 气缸, 戒指 | 铁, 钢, 铜 | 致密冶金; 旋转部分的最小缺陷 | 仅限于旋转形状 |
| 3D打印 沙模 | 原型; 小→中型运行 | 任何铸造合金 | 快速工具; 复杂的内核 | 当前每霉的成本较大，非常大的系列 (但正在改善) |
5. 铸造的设计 (DFC) 工业机械原理
DFC减少了废料, 缩短周期并避免昂贵的后期设计更改. 实际的, 工程级规则:
- 均匀的壁厚. 保持厚度一致; 发生变化的地方, 使用逐渐过渡 (鱼片, 锥形部分) 减轻收缩缺陷.
- 草稿和锥度. 提供核心去除的草稿角度; 缺乏草稿会导致核心破裂, 结ab, 和卡住的图案.
- 简化分开线. 最大程度地减少底切割和设计清晰的分隔表面，以减少核心的复杂性.
- 核心和通风口通道. 确保可以去除内核并防止气体夹带; 提供核心印刷品和逃脱.
- 半径不是锋利的角. 尖锐的角落浓缩压力并促进收缩; 添加宽敞的半径和圆角.
- 计划加工津贴. 在关键表面上指定一致的加工津贴 (例如。, +3–6毫米大型铸件; 精确区域较小), 并明确标记基准表面.
- 避免被困的腔. 如果不可避免, 开放核心的设计或使用可溶性芯/3D打印的核心，以安全去除.
- 材料- 和过程感知的公差. 使用特定于铸造的耐受性标准 (ISO 8062 或类似) 而不是加工式表面的公差.
- 早期的铸造合作. 提前进行DFCAST会议 - 铸造厂可以通过建议门票来降低成本和风险, 立管, 发冷和热处理步骤.
6. 工业机械铸件的行业应用
采矿机械
关键要求: 严重的磨损, 影响, 滑动磨损, 磨料浆液暴露.
典型的铸件零件: 粉碎机下巴, 研磨磨坊, 锥/破碎机壁架, 矿石泵叶轮, 磨坊, 牙齿适配器.
首选材料: 高分子白色铸铁和硬碳化物可用于磨损; 锰 (哈德菲尔德) 需要高影响力和需要工作的钢; 腐蚀性浆料服务中的镍合金.
活力 & 发电
关键要求: 高温, 循环加载, 精确配置文件 (空气动力学), 耐腐蚀性.
典型的铸件零件: 涡轮刀片 & 叶片, 涡轮机, 泵/压缩机叶轮, 阀体, 热交换器标头.
首选材料: 不锈钢和镍基合金 (用于热门部分); 铝和钢铸件，用于植物辅助零件.
汽车
关键要求: 数量经济学, 减轻体重 (燃料/能源效率), NVH控制和崩溃性能.
典型的铸件零件: 发动机块, 传输案例, 轮毂, 指关节, 制动鼓/转子, EV电动机外壳.
首选材料: 重量轻的铝合金 (压铸, 沙子铸造); 延性铁和压实石墨铁在较重的发动机中，以使刚度和阻尼.
农业机械
关键要求: 鲁棒性, 现场维护性, 对土壤/肥料的耐腐蚀性.
典型的铸件零件: 变速箱外壳, 差异病例, 括号, PTO外壳.
首选材料: 铸造铁的成本和耐用性; 关键结构成分的延性铁; 灌木丛的青铜.
施工机械
关键要求: 高静态和动态载荷, 影响韧性, 和可靠的可更换磨损零件.
典型的铸件零件: 帧, 繁荣, 水桶齿和适配器, 最终驾驶房屋.
首选材料: 高强度钢和延性铁; 牙齿和衬里的铬或碳化钨磨损叠加层.
7. 工业机械铸件中的可持续性
可持续性已成为现代制造业的决定性因素, 和 工业机械铸件 也不例外.
随着行业面临监管机构的压力越来越大, 顾客, 和投资者减少碳足迹, 铸造厂和OEM正在采用更绿色的技术, 循环经济实践, 和资源有效的策略.
铸造厂的能源效率
- 融化操作 最多 60% 铸造厂的总能耗.
从传统的冲天炉过渡到 感应和电弧形炉 大大减少温室气体排放. - 废水恢复系统可以从烟道气体中捕获能量，并在预热材料或干燥模具中重用它.
- 数据驱动的监视和智能电网集成进一步优化功率使用情况, 与全球脱碳目标保持一致.
回收和材料循环
- 铸件具有自然优势: 废料回收. 到 90% 亚铁铸造的原料来自回收的钢和铁, 大大减少了原材料需求.
- 也可以通过最小的财产损失来重新删除多产合金，例如铝和铜, 使铸件成为最圆形的制造工艺之一.
- 废料隔离和闭环回收可确保一致的合金质量和较低的采购成本.
排放控制和减少废物
- 灰尘和颗粒: 高级的袋屋过滤器和湿洗涤器在成型和熔化过程中最小化排放量.
- 活页夹系统创新: 传统有机粘合剂在铸造过程中释放VOC. 新的无机粘合剂减少排放，同时改善工作场所安全性.
- 浪费砂回收: 自动开垦厂可以回收80-95％的铸造砂, 减少垃圾填埋废物和原材料成本.
最终用途的轻巧和资源效率
- 在汽车和农业机械部门, 切换到 铝和压实石墨铁 (CGI) 铸件减轻体重, 燃料消耗, 和运营期间的二合作排放.
- 用于建筑和采矿设备, 设计 集成铸件 替换多个焊接组件, 保存材料, 提高可靠性, 并简化物流.
8. 工业机械铸件与. 替代制造
| 标准 | 铸件 | 宽恕 | 焊接/制造的组件 | 增材制造 (3数码印刷) |
| 几何复杂性 | 优秀 - 可以形成复杂的形状, 腔, 肋骨 | 有限 - 主要简单, 固体几何形状 | 中等 - 几何取决于焊接设计 | 优秀 - 晶格结构, 内部渠道可能 |
| 机械强度 | 好 - 合金 & 热处理取决于 | 优秀 - 上谷物流量 & 疲劳强度 | 中等 - 焊接接头可能是应力集中器 | 好 - 取决于材料 & 过程 |
| 尺寸功能 | 很大 (到 200+ 吨) | 中等 - 受锻造尺寸的约束 | 很大 - 框架, 结构可能 | 有限 - 受构建量的约束 |
| 表面饰面 & 公差 | 一般 (沙), 出色的 (投资, 死) | 好 - 通常需要加工 | 中等 - 取决于焊接精度 | 出色 - 可以实现的细节 |
生产成本 |
低媒体 (经济规模) | 中高 | 中等的 | 高的 |
| 工具投资 | 中等的 (模式, 死亡) | 高的 (锻造死亡, 按下) | 低的 | 没有任何 |
| 生产量适用性 | 低到高 (通过过程灵活) | 中至高 | 低至中等 | 低的 |
| 可持续性 | 高 - 废料回收 & 砂填胶 | 中等 - 有限的回收效率 | 适度 - 可能, 但是材料浪费更高 | 高材料效率, 但是能源密集型 |
| 典型的应用 | 发动机块, 涡轮机, 破碎机衬里 | 曲轴, 连杆, 轴 | 起重机框架, 结构支持 | 涡轮刀片, 原型, 利基组件 |
9. 工业机械铸件的创新趋势
技术进步正在改变工业机械铸件, 提高性能和效率:
3D用于铸造的印刷
- 3D打印图案/核心: 粘合剂喷射会在小时内产生沙子/图案 (vs. 传统模式的几周), 实现定制机械铸件的快速原型制作 (例如。, 一次性采矿破碎机部分).
- 直接金属印刷 (DMP): 用于高价值, 小批量零件 (例如。, 航空接地机械), DMP生产具有复杂几何形状的不锈钢铸件 (格子) 那是 30% 比常规铸件轻.
模拟驱动的设计
- 铸造过程模拟: 诸如Magmasoft和Simcenter 3D之类的软件预测缺陷 (收缩, 经线) 生产之前 - 通过 50% 和缺陷率 30%.
- 有限元分析 (fea): 将铸造的微结构数据集成到FEA模型中，以预测负载下的机械铸造性能-e.g。, 优化挖掘机手臂以承受 15% 没有体重增加的更多负载.
高级材料
- 高强度延性铁 (HSDI): 新等级 (例如。, ASTM A536等级 120-90-02) 提供拉伸力量 827 MPA - 在高负载应用中更换锻造钢的铸件 (例如。, 风力涡轮轴).
- 复合铸件: 金属矩阵复合材料 (例如。, 用碳化硅加固的铝) 用2倍的铸件产生纯铝的耐磨性 - 农业机械零件的理想.
10. 结论
工业机械铸件对于重工业来说是必不可少的，因为它们可以使尺寸, 综合功能和量身定制的冶金成本.
虽然该部门成熟, 添加剂工具的收敛性, 高级模拟, 自动化, 可持续性措施正在重塑可能的事情 - 减少交货时间, 提高质量并降低环境足迹.
常见问题解答
指定铸件时，最重要的因素是什么?
清晰的材料和热处理标注, 定义硬度或机械性能目标, 显式加工津贴, 和NDT/检查要求.
早期的铸造参与度以审查门控和立管战略也是必不可少的.
可以用焊接或制造的组件代替大型结构零件?
有时 - 但是焊接的组件通常会增加零件计数, 添加容易疲劳的关节, 并可以增加体重.
铸造通常在整合刚度的地方获胜, 组装的复杂性降低和长期服务成本降低是优先事项.
铸造使用多少能量, 以及如何减少?
能量强度差异很大; 实用的基准范围为每吨铸造金属的1,200–2,500 kWh.
减少杠杆包括使用次级 (回收) 金属原料, 感应/电熔化, 热恢复, 和更高效的炉子.
是3D打印代替铸造?
否 - 大多数重型工业零件的规模都不大.
然而, 3D打印的砂霉和核心正在加速迭代周期，并解锁复杂的内部几何形状, 补充而不是取代传统演员.
