基于CAE的軸承座鑄件熔模鑄造工藝改進(jìn)

李世嘉，龐爾楠

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長(zhǎng)治 046011）

當(dāng)前鑄造過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)在鑄造生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提升傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)起到了很大的作用。通過計(jì)算機(jī)模擬生產(chǎn)，動(dòng)態(tài)的顯示了鑄件生產(chǎn)充型和凝固的全過程，從而可以預(yù)測(cè)鑄件缺陷、優(yōu)化鑄造工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量[1-3]。本文利用華鑄CAE軟件，以某企業(yè)典型熔模鑄件的工藝改進(jìn)過程為實(shí)例，介紹了CAE模擬軟件在產(chǎn)品工藝改進(jìn)過程中的應(yīng)用。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)分析

某廠生產(chǎn)的出口軸承座鑄件，輪廓尺寸：260 mm×150 mm×150 mm，平均壁厚15 mm，單件質(zhì)量約為7.1 kg，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該鑄件整體壁厚相差不大，但鑄件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在鑄件A部位要沿箭頭方向機(jī)械加工注油孔，潤(rùn)滑油由此孔注到鑄件內(nèi)部?jī)?chǔ)油位置B，為了避免漏油等問題，鑄件在此位置不得有縮孔和裂紋等缺陷，鑄件100%要進(jìn)行X光檢查。鑄件尺寸精度要求較高，鑄件尺寸公差要求按GB6414-86的CT6驗(yàn)收。

圖1 軸承座鑄件

初步分析鑄件結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鑄件多處型壁相交部位存在熱節(jié)，主要比較集中的熱節(jié)部位見圖2所示C、D兩個(gè)部位和本方案澆口部位，這幾個(gè)熱節(jié)部位分散，相互孤立。對(duì)于熔模小型鑄鋼件，為了保證鑄件熱節(jié)處不產(chǎn)生縮孔或縮松缺陷，熱節(jié)處一般通過設(shè)置澆口來補(bǔ)縮，原則上有幾個(gè)熱節(jié)則需開設(shè)幾個(gè)內(nèi)澆口（一般不設(shè)置冒口）[4]。針對(duì)本鑄件原來采用了如圖2所示的澆冒口設(shè)計(jì)方案[5]，鑄件內(nèi)澆口開設(shè)位置見圖2.

圖2 鑄件原工藝方案1

2 模擬過程及結(jié)果分析

2.1 網(wǎng)格剖分及主要工藝參數(shù)

采用華鑄CAE純凝固傳熱計(jì)算進(jìn)行工藝優(yōu)化，基于“瞬間充型，初溫均布”的假設(shè)[6]。

計(jì)算分析之前，首先要對(duì)鑄件及澆冒口系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分。采用均勻網(wǎng)格剖分，原工藝方案1設(shè)定網(wǎng)格大小3 mm，網(wǎng)格總數(shù)為1217216.改進(jìn)工藝方案2設(shè)定網(wǎng)格大小2.5 mm，網(wǎng)格總數(shù)為2146560.

主要工藝參數(shù)：

1）零件材料：美國一般工程用鋼ASTMA27450-240，對(duì)應(yīng)于國內(nèi)鋼鐵材料為ZG230-450：液相線溫度：1516℃，固相線溫度：1400℃；

2）型殼材料：水玻璃涂料+石英砂，共6層，型殼厚度8 mm；

3）硬化劑：氯化銨溶液；

4）工藝參數(shù)：出爐溫度：1600℃～1620℃，澆注溫度：1530℃～1550℃，澆注時(shí)間：16 s～18 s，工藝出品率：46%；

5）型殼溫度：700 ℃.

2.2 原工藝方案1模擬結(jié)果及分析

從圖3b）（圖中淺色實(shí)體顯示為液相區(qū)，線框輪廓顯示為鑄件及澆注系統(tǒng)）可以看到，鑄件在凝固時(shí)間t=149.48 s時(shí)，箭頭指示鑄件區(qū)域就有孤立液相產(chǎn)生，這正是圖2所示鑄件C、D位置。該部位最終產(chǎn)生縮孔（松）缺陷的可能性很大。如圖4所示為鑄件的最終縮孔縮松分布（圖中淺色實(shí)體顯示為縮松，深色實(shí)體顯示為縮孔，線框輪廓顯示為鑄件及澆注系統(tǒng)），從圖4可以看到，圖3b）箭頭指示區(qū)域上有縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生。分析缺陷產(chǎn)生的原因是，鑄件存在多個(gè)孤立分散的熱節(jié)，澆注系統(tǒng)難以補(bǔ)縮遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的熱節(jié)部位（圖2所示鑄件C、D位置），最終導(dǎo)致該熱節(jié)部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

圖3 原工藝方案1凝固模擬結(jié)果

圖4 原工藝方案1縮孔縮松分布

2.3 改進(jìn)的工藝方案2模擬結(jié)果及分析

利用華鑄CAE軟件進(jìn)行了多種方案的嘗試，綜合考慮鑄件本身結(jié)構(gòu)、鑄件工藝出品率和實(shí)際生產(chǎn)過程的可操作性等因素，但結(jié)果都不盡如人意，主要問題是，在不增設(shè)太多內(nèi)澆口或冒口的前提下，如何保證鑄件熱節(jié)處補(bǔ)縮順暢。后來通過和客戶溝通，在不影響鑄件使用性能的前提下，改變鑄件的結(jié)構(gòu)，如圖5將鑄件圖示E部位3個(gè)凹槽深度逐漸變淺，離內(nèi)澆口最近的凹槽深度最淺，離內(nèi)澆口最遠(yuǎn)的凹槽深度最深；也就是使鑄件離內(nèi)澆口最近的部位壁厚最大，離鑄件內(nèi)澆口漸遠(yuǎn)的部位壁厚逐漸減薄，鑄件遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的C、D部位與內(nèi)澆口之間的補(bǔ)縮通道變得順暢，鑄件凝固過程遵循順序凝固的原則。改進(jìn)后的鑄件結(jié)構(gòu)如圖5a）所示，與原來鑄件結(jié)構(gòu)的不同之處從圖5可以清晰地看到。

圖5 改進(jìn)后的鑄件和原鑄件結(jié)構(gòu)比較

圖6 （圖中淺色實(shí)體顯示為液相區(qū)，線框輪廓顯示為已凝固的鑄件及澆注系統(tǒng)）是改變鑄件結(jié)構(gòu)后的凝固模擬結(jié)果，可以看到鑄件凝固過程自始至終沒有看到孤立液相區(qū)，鑄件遠(yuǎn)離內(nèi)澆道的C、D部位得到了充足的補(bǔ)縮，鑄件的凝固過程滿足順序凝固的原則。改進(jìn)后方案的縮孔縮松分布如圖7所示（圖中淺色實(shí)體顯示為縮松，深色實(shí)體顯示為縮孔，線框輪廓顯示為鑄件及澆注系統(tǒng)），從圖7可以看到，相比前一種方案，鑄件本體縮松體積明顯減少，縮孔全部消失，縮孔全部轉(zhuǎn)移到澆注系統(tǒng)上，故此工藝方案可行。

圖6 改進(jìn)后的工藝方案2凝固模擬過程

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

按改進(jìn)后的工藝方案2組裝好的蠟?zāi)＝M樹如圖8所示，每個(gè)蠟?zāi)＝M焊兩個(gè)鑄件。實(shí)際生產(chǎn)的軸承座鑄件如圖9所示，經(jīng)過鑄件外觀尺寸檢查、磁粉探傷和X光檢查項(xiàng)目的檢查，鑄件質(zhì)量符合客戶要求。

圖7 改進(jìn)后的工藝方案2縮孔縮松分布

圖8 鑄件蠟?zāi)＝M樹

圖9 實(shí)際生產(chǎn)鑄件

4 結(jié)論

1）在綜合考慮鑄件結(jié)構(gòu)性、實(shí)際生產(chǎn)的便利性和工藝出品率等因素，在不改變工藝方案的情況下，通過改變鑄件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了鑄造工藝方案。

2）應(yīng)用CAE軟件對(duì)軸承座鑄件工藝方案進(jìn)行凝固過程模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，最終確定工藝方案。利用CAE進(jìn)行熔模鑄造工藝輔助設(shè)計(jì)，既節(jié)約工藝開發(fā)時(shí)間，又節(jié)省生產(chǎn)成本。按此方案在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了滿足客戶要求的合格鑄件。

［1］周建新，劉瑞祥，陳立亮，等.鑄造CAE技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2004（4）：18-20.

［2］盧永祥，師素粉.基于ProCAST的熔模鑄造工藝改進(jìn)［J］.鑄造技術(shù)，2011（4）：590-593.

［3］楊世洲，陳攀.華鑄CAE軟件在熔模鑄造中的應(yīng)用［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（10）：75-78.

［4］許云祥.設(shè)計(jì)合理的澆注方案以保證充填和補(bǔ)縮［J］.特種鑄造及有色合金，2003（4）:50-54.

［5］柳百成，黃天佑.中國材料工程大典:材料鑄造成形工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［6］華中科技大學(xué).華鑄CAE用戶手冊(cè)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.