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鑄造表面粗糙度及其測量方法的研討



     鑄造表面粗糙度是指經過清理粘附砂粒后鑄造表面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性。它不包括粘砂、氣孔和砂眼等表面缺陷。

 

    鑄造表面質量不但直接影響著產品的外觀,而且還影響鑄造表面的油漆、電鍍質量以及機器的精度、壽命和能耗。本文就鑄造表面粗糙度的形成機理、影響因素、評定標準及其測量方法進行討論。

 

    在鑄造過程中,由于金屬液與鑄型型腔表面直接接觸,使金屬液與鑄型內殼層之間產生相互作用。它包括熱作用、機械作用和物理化學作用。因此,影響鑄造表面粗糙度的因素比較復雜。下面以砂型鑄造為例,對粗糙度的影響因素作一分析。

 

1、Ra與型砂顆粒大小的關系

 

    鑄造表面是在砂型表面上形成的,其粗糙度與砂型表面粗糙度有直接關系。金屬液因靜壓力的作用,滲入砂粒的空隙。型砂顆粒越大,砂型表面的孔隙度也越大,鑄造表面就越粗糙。如用HT250鑄鐵在1450℃溫度下澆鑄,當面砂為200號(篩孔尺寸為0.074mm)砂時,鑄造表面最光滑,輪廓的算術平均偏差Ra≈6μm;用20號(篩孔尺寸為0.84mm)砂作面砂時,鑄造表面最粗糙,Ra≈80μm,試驗結果如圖1所示。圖中D均為砂粒平均直徑。從圖中可以看出,Ra值約為砂粒平均直徑的十分之一。大量的試驗表明,砂型鑄鐵鑄造表面粗糙度的Ra值約為型砂平均直徑的1/12-1/6。一般機械的中、小鑄件大都采用70/140號細粒砂制型,其Ra值為10-30μm。

 

    型砂由多種原材料制成,如應用最廣泛的粘土型砂就是由造型砂、造型粘土、附加物及水按一定比例配制而成的。粘土和水形成的粘土膠體以薄膜形式復蓋在砂粒表面,把砂粒相互聯結起來,適當調整型砂的配制比例對表面粗糙度有一定的影響。此外,加入適量的煤粉等附加物,可提高鑄造表面的光滑程度。這是因為煤粉在400℃以上的溫度時,發揮物分解后會在金屬和砂型分界面上形成光澤碳層。

 

2、Ra與澆注溫度及壁厚的關系 

 

    當澆注溫度越高,鑄件壁厚愈厚時,則金屬液在鑄型表面保持液態的時間越長,金屬液的流動性就越好,因而滲入孔隙內的金屬液也越多,且金屬不易冷凝,其滲入深度也大。當澆鑄溫度超過某一臨界值時,由于熱力和化學粘砂嚴重,粗糙度值急劇增加。圖2為不同溫度的鋼液在石英砂型中澆鑄時鑄造表面粗糙度的變化情況。

 

3、Ra與砂型緊密度的關系 

 

    砂型緊密度增大時,質點間的距離越近,砂粒表面粘土薄膜接觸面積增大,使砂粒間空隙減少而聯接更為緊密,這時,濕強度提高,金屬滲入砂型的深度減小,但在緊密度達到某一數值以后,滲入深度就不再減小。減少金屬滲入深度最有效的壓緊范圍是67-100N/cm2。

 

    此外,粗糙度值還與鑄型表面材料的導熱性能及鑄型中產生的氣體壓力等因素有關。

 

    但是,不少人認為鑄造表面比鑄型表面更為粗糙。然而,試驗結果表明,鑄造表面一般要比鑄型表面光滑。這是因為金屬液并非完全進入鑄型表面空隙。其升降高度與毛細管中液體的表面張力相平衡。毛細管阻力的大小取決于液體的表面張力、密度和毛細管的半徑等。即毛細管半徑愈小,其阻力愈大,金屬愈不易滲入,只有當金屬液超出臨界壓力時才能進入砂??紫?。鑄造表面的峰谷一般比鑄型表面平緩。實驗表明,鑄造表面粗糙度值約比鑄型表面小10-30%。

 

    在控制與提高鑄造表面質量的過程中,確定表面粗糙度的評定標準與尋求合理的測量方法是個十分重要的問題。

 

    表面粗糙度是由一系列不同高度和間距的峰谷組成,一般在外觀上總會帶有加工方的特征。如:使用切削工具加工的表面往往帶有均勻間距和清晰的刀具痕跡,而砂型鑄造的原始(鑄態)表面為不帶溝紋的顆粒狀表面,經清整后的鑄造表面則為不帶溝紋的無規律的波紋表面,且在其表面上有或多或少近似圓形的、無規律的隆起或凹坑。

 

    鑄造表面粗糙度的表征參數廣泛采用輪廓算術平均偏差Ra、微觀不平度十點高度Rz和輪廓最大高度Ry。表征參數Ra能較好地反映表面微觀幾何形狀的特征,且可以從測量儀器上直接讀數,不易受測量者主觀因素的影響,因此國際標準化組織把它作為主要的評定指標。

 

    評定鑄造表面粗糙度有兩種方式:一種是采用儀器進行測量;一種是與鑄造表面粗糙度比較樣塊進行比較。

 

    各種不同的鑄造表面特征所使用的儀器和測量方法:

 

    A 觸針法用于輪廓儀測量;

 

    D 光切法用于光切顯微鏡測量;

 

    E 投影法用于工具顯微鏡或投影儀測量;

 

    F 描點法用于測微儀測量;

 

    H 切片法采用金相顯微鏡測量。

 

    輪廓記錄儀測量粗糙度能反映鑄造表面輪廓的圖象,有利于作工藝分析,國內已研制了“鑄造表面粗糙度測量儀(記錄儀)”。對于粗糙度值較大的鑄件表面,在缺乏儀器時,采用打點法描繪輪廓曲線可取得良好的效果。其方法是:將被測鑄件安放在工具顯微鏡或其它有測微移動機構的工作臺上,橫向移動位置利用測微機構讀數;對表面凸峰與凹谷的縱向距離可采用讀數值為1μm的測微表讀數,觸針與測微表鋼性聯結,測量時點與點之間的距離越小,即工作臺每次移動的距離越小,則測量結果越趨于準確。通常,橫向移動的距離(即點與點之間每次移動的距離)應小于縱向移動距離的十分之一。測試結果表明,該方法與輪廓記錄儀相比,其相差一般小于10℃%。

 

    值得注意的是,測量中采用不同的表征參數,可能得到不同的結果,這是因為表面輪廓形狀不同時,Rz(Ry)和Ra的比值也不一樣。當表面輪廓幾何形狀為三角形時Rz/Ra=4;為矩形時Rz/Ra=2;為凸拋物線時Rz/Ra=3.91;為凹拋物線時Rz/Ra=4.67;為正弦曲線時Rz/Ra=3.15。據實驗統計,在切削加工表面中,在▽6以下(包括▽6)時Rz/Ra≈4;在▽7以下(包括▽7)時Rz/Ra≈5。鑄造表面輪廓的幾何形狀很不規則,其Rz(Ry)和Ra之間更難有恰當的換算關系。通過50個砂型鑄造表面進行試驗,Rz(Ry)與Ra的比值在3與8之間變動。Rz與Ra的平均比值為4.7,Ry與Ra的比值為5.8。這僅是一個近似換算關系,可供要求不嚴格時參考使用。

 

    鑄造表面一般紋理不規則,因此,僅僅測量幾條輪廓線不能正確評定其表面的粗糙度值,而采用儀器測量又顯得十分麻煩。為此,國內外普遍以特定合金材質和鑄造方法的鑄造表面粗糙度比較樣塊,通過視覺和觸覺來評定表面粗糙度。國際標準化組織已經頒布了鑄造表面粗糙度樣塊標準ISO2632/Ⅲ。在該標準中,對粗糙度比較樣塊的適應范圍、參照標準、制造精度和表面特征等都作了明確規定,見表2。我國頒布的鑄造表面粗糙度比較樣塊標準,其名詞術語、評定方法、取樣長度、制造精度等實質性技術指標與ISO標準完全等效,只是由于受檢測條件的限制在評定參數方面,國標中部分選用Rz,對樣塊增加了色澤要求以及對樣塊最小尺寸作了部分修改。

 

 

表2 比較樣塊粗糙度等級范圍 

算術平均偏差Ra(μm)

黑色金屬

有色金屬

鋁合金

銅合金

鎂和鋅合金

砂型鑄造

殼型鑄造

精密鑄造

砂型鑄造

殼型鑄造

砂型鑄造

硬模鑄造

壓模鑄造

砂型鑄造

硬模鑄造

壓模鑄造

砂型鑄造

壓模鑄造

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.2

 

 

 

 

 

 

 

0.4

 

 

 

 

0.4

 

 

0.8

 

 

 

0.8

0.8

 

 

 

 

0.8

 

1.6

1.6

 

1.6

 

1.6

1.6

 

 

1.6

 

1.6

 

3.2

3.2

3.2

3.2

3.2

3.2

3.2

 

3.2

3.2

3.2

3.2

 

6.3

6.3

6.3

6.3

6.3

6.3

6.3

6.3

6.3

6.3

6.3

6.3

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

12.5

25

25

 

25

25

25

25

25

25

25

25

25

25

50

50

 

50

 

50

50

 

50

50

50

50

 

100

 

 

100

 

100

 

 

100

100

 

100

 

200

 

 

200

 

 

 

 

 

 

 

200

 

400

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    我們按照《ISO2632/Ⅲ》的標準制成功砂型鑄造表面粗糙度比較樣塊,并已通過鑒定。表3為該樣塊的測試結果。它具有以下的特點:

表3 鑄造表面粗糙度樣塊測試結果 

μ

μ

平均值公差(公稱值百分率)

標準偏差(有效值百分率)5個取樣長度

取樣長度(mm)

 

 

ISO要求

實際值

ISO要求

實際值

ISO要求

實際取樣長度

3.2

3.14

+10--20

-1.90

20

12.83

2.5

2.5

6.3

6.69

+10--20

6.19

20

6.28

2.5

2.5

12.5

11.70

+10--20

-6.40

20

8.80

2.5

2.5

25

21.15

+10--20

-15.40

20

18.00

2.5

2.5

50

46.70

+10--20

-6.60

20

17.54

8

8

100

87.06

+10--20

-12.94

20

16,60

8

8

 

 

    注:最后兩級為2個取樣長度

    樣塊表面為砂型鑄鐵鑄造表面標準表面的復制陽模,具有砂型鑄鐵鑄造表面的形貌,有良好的對比性。由于機械行業砂型鑄鐵鑄造表面粗糙的Ra值一般不大于100μm,因此每套樣塊按照ISO標準選用六個等級,其Ra值為3.2-100μm。

    樣塊重量輕,體積小,攜帶方便,便于生產現場使用。

    一個已知粗糙度值為Ra(或Rz)的鑄造樣塊表面,只有用來評定同一材質和鑄造工藝的鑄造表面的粗糙度時才能獲得滿意的結果,否則可能帶來較大的評定誤差。筆者曾經用A、B、C三種表面特征狀態不同的樣塊對砂型鑄鐵鑄造表面粗糙度作評定試驗。參加評定的有鑄造技術人員、產品設計和工藝人員、鑄造和金屬切削加工檢驗人員及計量人員等。樣塊A的母表面為砂粒表面;B為國外的鑄造表面粗糙度樣塊(未注明材質和鑄造方法);C為本廠按ISO2632/Ⅲ標準研制的砂型鑄鐵鑄造表面粗糙度樣塊。評定結果表明:用樣塊A來比較評定時,評定結果平均偏低1.4級,即用它來評定砂型鑄鐵鑄造表面的粗糙度時,就有可能將粗糙度值不合格(太粗糙)的鑄件當作合格品處理;用樣塊C來評定時,評定結果平均偏低0.1級,即用它來評定砂型鑄鐵鑄造表面粗糙時一般不會產生評定誤差。

    盡管三種樣塊相對應等級與被測鑄造表面的粗糙度值(Ra≈12.5μm)基本相同(即剖面曲線峰谷的高度基本相同),但在單位長度上峰谷分布的密度不一致,其中樣塊A峰谷分布最稠密,曲線輪廓的平均間距Sm=0.57mm;樣塊B峰谷分布最稀疏,Sm=2.12mm;樣塊C和被測鑄造表面基本相同,Sm值分別為1.08mm和1.15mm。試驗分析表明,即使粗糙度值相同,但由于表面特征狀態不一致,給人們的感覺也不同,一般峰谷分布越稠密感覺越光滑?;谏鲜隼碛?,在使用樣塊來評定鑄造表面的粗糙度時,應選用與該鑄件材質及鑄造工藝相同或相近的樣塊。此外在評定粗糙度時,還應注意使樣塊與被評定的鑄造表面兩者的光線照射條件相同,以避免由于光照條件的差異而帶來評定誤差。

    鑄造表面粗糙度的評定工作是我國鑄造生產中一項亟待解決的重要課題,希望通過本文的發表能引起進一步的討論研究,以促進鑄件表面質量的提高。

 

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