智 能 铸 造 合 金 应 力 仪 的 设 计

王武孝， 张忠明， 刘东杰， 邹军涛， 张忠义

(西安理工大学 材料科学与工程学院,西安 710048)

0 引 言

铸造是一种应用最广泛的材料成型方法，是将液态合金浇注到与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固后，获得零件或毛坯的方法。在各类设备中铸件所占的比例很大，如机床、内燃机中，铸件占机器总重的70%～80%，农业机械占40%～70%[1-3]。

但在铸造成型过程中，因铸件合金种类、成分、结构(薄厚不均)及铸造工艺设计等因素的影响，造成铸件成品率及工艺出品率低，使得铸件成本提高。这是由铸造应力造成的，铸造应力在铸件凝固过程中产生，经过铸件开箱、落砂也不会消除，直到铸件冷却至室温依然存在。凝固过程中铸造应力的存在使铸件在实际承受载荷时容易萌生裂纹，且都发生在铸件应力集中的地方，在铸件存放、搬运、加工过程中将造成铸件因铸造应力开裂而报废[4-5]。

国内目前还没有定型的铸造应力测试仪器，惯用方法是用应力框来进行铸造应力测定，而应力框只能测定静态情况下的应力状况，无法反映铸造应力产生的动态过程，因此准确测定铸件凝固过程中铸造应力动态变化具有十分重要的意义。本文利用自制的智能湿砂型铸造应力仪对铸造应力和温度变化进行测试，实现人工湿砂型造型、数据自动采集、软件中央数据处理与网络结果传输等功能。通过实验过程可以培养学生的实验设计能力、实验数据处理能力以及实验协作能力，从而达到工程教育认证对毕业生的部分要求。

1 铸造应力测试方法

将液态合金浇入铸型，从浇注温度冷却至室温需经过液态收缩、凝固收缩、固态收缩3个阶段[6-7]。铸件在凝固过程中，固态凝固受到阻碍，铸件内部会产生内应力，产生这种应力的原因被消除时，铸造应力消失，被称为临时铸造应力；当产生这种应力的原因被消除而铸造应力依然存在时，被称为残余铸造应力[8-10]。

残余铸造应力的测定方法可分为机械测定法和物理测定法[11-12]。在实践教学环节中，测试合金的铸造应力所采用的方法通常是先浇注应力框，其结构简图如图1所示。用应力框测定铸造应力是属于机械测定法中最简便的一种方法，其基本原理是把铸件(或应力框试样)用一定方法进行分割，残余应力被局部释放，从而破坏了铸件内部存在的相互平衡的应力，使铸件(或应力框试样)产生变形，然后测定这时的变形量，再应用弹性力学有关公示求出铸件内的残余应力。这样算出的残余应力数值只能反映静态残余应力，并不知道应力何时产生，应力产生的动态变化趋势及曲线。

图1 应力框结构简图

2 智能铸造合金应力仪的设计

智能铸造合金应力仪具备动态应力自动测量、记录、存储等功能，把铸造应力产生的瞬间、变化趋势用曲线的形式记录、存储，供后续研究、分析使用，使铸造工艺制定更具科学性，仪器设计模块如图2所示。

图2 智能应力仪模块图

对铸件进行铸造工艺设计时，需要了解铸件不同部位的应力分布及大小，就必须对金属从高温冷却到室温的应力变化进行了解。由于凝固过程中铸件的冷却速度不同，且在同一时间内铸件不同部位的收缩情况也不同，故造成的铸造应力也有差异。智能应力仪设计以图1的应力框为参考，应力框试样是两侧细杆和中间粗杆并用刚性横梁连成一体的框形铸件，由于杆Ⅰ截面大，冷却较慢；而杆Ⅱ截面小，冷却较快，但两者又连成一个整体，收缩时必然相互制约而产生阻碍，形成热应力[13-14]，当拉应力超过铸件的抗拉强度时，粗杆就会断裂。

为了达到仪器易拆装、铸造应力测试便捷的目的，智能应力仪设计时，应力框应做成刚性框架，且开合方便。基于这样的思路，把图1所示的应力框沿AB线方向锯断，使应力框一分为二，左边为E字型，右边为反E字型，3个测杆端部分别装上连接螺母及测头螺钉。另外反E字型由铸造模板、专用砂箱造型完成，E字型3个测头螺钉伸向反E字型型腔，连接靠螺栓铸接。当液态合金充满铸型后，与仪器连接螺母上的测头螺钉铸接。使得仪器与反E字型试样构成了封闭的应力框。由于应力框试样两侧杆比中间杆细，在凝固初始阶段，应力框试样两侧细杆冷却快、受拉应力，应力框试样中间粗杆受压应力;凝固后期，应力框试样中间粗杆开始凝固收缩，细杆已经凝固完毕,进入弹性阶段，所以粗杆所受力转变为拉应力，细杆则受压应力[15]。在智能应力仪E字型3个杆上装上测力传感器，铸型型腔中杆所在位置装上测温热电偶，当应力框因温度下降凝固形成刚性应力框时，就有应力信号产生，该信号通过装在仪器上的力传感器输出电信号，经过模数转换送入智能单元的微处理器进行分析处理、储存数据、显示曲线记录，完成铸造合金应力测试。根据以上设想，设计出图3所示的智能铸造合金应力仪。

1-仪器横梁，2-测力传感器，3-冷却水，4-连接杆，5-螺母，6-螺钉，7-热电偶，8-反“E”形试样型腔，9-直浇口，10-铸型

图3 智能铸造合金应力仪

智能铸造合金应力仪主要由横梁、力传感器、应力框、铸型、数据采集记录仪组成，横梁连接3根测杆测头，测杆上安装测力传感器组成E字型，铸型组成反E字型，通过测头螺钉把E字型与反E字型连接起来构成刚性应力框。若有应力产生，三杆上测力传感器分别向智能记录显示单元输出电信号，如果合金在冷凝过程中有一次相变发生，则粗细杆的受力方向多一次变化。为了教学和研究需要，智能铸造合金应力仪在3根杆上分别设置了测力传感器。在以后推广使用中，可以只在中间粗杆设置测力传感器，这是因为两侧细杆受力之和在任何时刻其大小与中间杆受力大小相等，方向相反。设计中，试样中间杆直径φ25，两侧杆均为φ17.68，粗细杆截面比为2∶1，故两侧细杆所受力之和与粗杆所受力数值大小相等。中间粗杆上测温热电偶测试合金凝固冷却曲线电信号，经过微处理器模数转换器送往数据采集记录仪，最后通过计算机软件数据处理并通过网络传输输出结果。整体实验流程如图4所示。

图4 铸造应力测试实验流程图

3 测试结果与分析

实验材料选用铸造生产中较为常用的ZL102铝合金，采用电阻坩埚炉进行熔炼，铸型采用湿砂型，浇注温度720 ℃。表1为粗杆与细杆随浇注时间变化的受力实测数据(压力用“-”表示，拉力用“+”表示)。可以看出,相同时刻点两细杆力之和与粗杆的力的大小相等，方向相反。根据杆的横截面积，经过数据处理得到图5的的应力分布曲线。

表1 粗杆与细杆随浇注时间变化的受力实测数据 N

智能铸造合金应力仪同时可记录4条压力或温度随时间变化的曲线，可存储100组数据。通过实验证明，实验测试结果与应力产生分析完全吻合，数据重复率及精确性达到设计要求。智能铸造合金应力仪实现了人工砂型造型、数据自动采集、计算机软件数据处理与网络结果传输等功能。为高等院校培养满足工程教育认证要求的材料成型与控制毕业生提供了硬件支持。

图5 ZL102合金凝固冷却曲线及铸造应力曲线

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