基于鑄造CAE的彈簧座鑄件熔模鑄造工藝研究

閆慶斌，王月琴

（山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治 046011）

鑄造過程計算機數(shù)值模擬的目的就是要通過對鑄件充型凝固過程的數(shù)值計算，分析工藝參數(shù)對工藝實施結(jié)果的影響，從而對鑄造工藝師所設(shè)計的工藝進行驗證和優(yōu)化，以獲得健全的鑄件[1-2]。利用華鑄CAE軟件，對某企業(yè)彈簧座鑄件進行凝固過程數(shù)值模擬，從兩種工藝方案中選出一個最優(yōu)方案，對實際生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及工藝特點分析

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)特點

某精密鑄造廠生產(chǎn)的彈簧座鑄件，輪廓尺寸：180 mm×160 mm×60 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該鑄件結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，整體壁厚比較均勻，但尺寸精度要求較高，除鑄件一底面需機加工外，其余尺寸均不再機加工，故采用熔模鑄造保證零件要求的尺寸精度。本產(chǎn)品對其內(nèi)部質(zhì)量要求較高，要抽樣進行磁粉探傷和X光檢查。

1.2 鑄件工藝性分析

初步分析該鑄件不存在分散的熱節(jié)，僅有圖1 a）所示A部位是孤立的熱節(jié)，所以，在設(shè)計澆注系統(tǒng)的時候，內(nèi)澆口就應(yīng)設(shè)置在此處，以利于澆注系統(tǒng)對其補縮，實現(xiàn)鑄件的順序凝固，但實際情況是此處有一凹陷的平臺，如圖1 b）圖所示，如果內(nèi)澆口在此開設(shè)，將為鑄件后續(xù)的機械加工帶來很多不便，所以，最終內(nèi)澆口的位置開設(shè)在圖2 a）工藝方案1所示位置。圖2 b）工藝方案2是在內(nèi)澆口上方增加了工藝補貼B.

圖1 彈簧座鑄件

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)

圖2 鑄件工藝方案

在進行鑄件的凝固傳熱過程計算之前，首先要對鑄件及澆冒口系統(tǒng)進行網(wǎng)格剖分。本文采用華鑄CAE/InterCAST均勻網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格大小2.5 mm，工藝方案1網(wǎng)格數(shù)為950280。工藝方案2網(wǎng)格總數(shù)為950460。

主要工藝參數(shù)[3]：

1）零件材料：美國一般工程用鋼ASTMA27450-240，對應(yīng)于國內(nèi)鋼鐵材料為ZG 230-450：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℃，澆注時間：10 s～12 s，工藝出品率：43%；

5）型殼溫度：800℃.

2.2 模擬結(jié)果及分析

采用華鑄CAE純凝固傳熱計算方法進行工藝優(yōu)化，基于“瞬間充型，初溫均布”的假設(shè)。

1）方案1模擬結(jié)果及分析

從圖3 b）（圖中透明不著色的線框輪廓表示已凝固的鑄件及澆注系統(tǒng)，灰色實體表示液相）中可以看到，與內(nèi)澆口連接的鑄件C部位在時間t=333.15 s時，已經(jīng)開始凝固，而鑄件壁厚較大的D部位還有液相存在，這樣在鑄件內(nèi)部形成孤立液相區(qū)，澆注系統(tǒng)本身不能對鑄件D部位處進行有效補縮。從圖4方案1的縮孔縮松分布圖可以看到，在鑄件的D部位有縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生。在實際生產(chǎn)中，也驗證了該模擬結(jié)果。在試鑄的20件樣品中，有一半以上鑄件A部位產(chǎn)生縮孔缺陷，幾乎全部鑄件有縮松缺陷。

圖3 方案1凝固模擬過程

圖4 方案1縮孔縮松分布

通過分析鑄件本身結(jié)構(gòu)和上述模擬結(jié)果可知，鑄件D部位是鑄件的熱節(jié)部位，而鑄件與內(nèi)澆口接觸C部位先于鑄件的熱節(jié)D部位凝固，熱節(jié)部位的補縮通道被阻斷。所以，鑄件在該部位容易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。為了避免鑄件此類缺陷的產(chǎn)生，解決方案有兩種[5，6]：一種是加快鑄件熱節(jié)D部位的凝固時間，使該部位先于鑄件C部位凝固；另一種是強化補縮通道，為鑄件A部位的凝固提供充足的補縮液。其實，兩種方案都是為了使鑄件實現(xiàn)順序凝固，即遠離補縮組元的鑄件部分先凝固，然后是與補縮組元接近的部位凝固，最后是補縮組元凝固。本文按第二種解決方案改進工藝，改進工藝方案如圖2 b）所示，內(nèi)澆口大小不變，加大內(nèi)澆口與鑄件的接觸面積，同時增加工藝補貼B。

2）方案2模擬結(jié)果及分析

改進后的工藝方案2模擬結(jié)果如圖5所示，可以看到原來鑄件內(nèi)澆口附近C部位并未先于鑄件熱節(jié)D部位凝固，鑄件熱節(jié)D部位的補縮通道未被阻斷，該部位可以從澆注系統(tǒng)（即補縮組元）得到補縮，鑄件凝固過程實現(xiàn)順序凝固原則。工藝方案2縮孔縮松分布如圖6所示。比較兩套工藝方案的縮孔縮松分布圖可以看到，方案2縮松體積明顯減少，縮孔消失，縮孔全部轉(zhuǎn)移到直澆道上。

圖5 方案2凝固模擬過程

3 生產(chǎn)驗證

按最終確定的工藝方案2組裝好的蠟?zāi)＝M樹如圖7所示，每個蠟?zāi)＝M焊兩個鑄件；實際生產(chǎn)彈簧座鑄件如圖8所示。經(jīng)過鑄件外觀尺寸和X光檢測等項目的檢查，鑄件質(zhì)量符合客戶要求。

圖6 方案2縮孔縮松分布

圖7 蠟?zāi)＝M樹

圖8 實際生產(chǎn)鑄件

4 結(jié) 論

1）通過改進工藝方案，增加工藝補貼，強化澆注系統(tǒng)的補縮能力，使鑄件凝固過程實現(xiàn)順序凝固，避免鑄件出現(xiàn)缺陷。

2）應(yīng)用鑄造CAE軟件對彈簧座鑄件進行凝固過程模擬，可以直觀地觀察鑄件的整個凝固過程、預(yù)測缺陷的產(chǎn)生，進而改進工藝方案。與傳統(tǒng)鑄造的“試錯法”相比，即縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，又節(jié)約了生產(chǎn)成本。

3）按最終確定的工藝方案2組織生產(chǎn)，獲得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］侯華，毛紅奎，張國偉.鑄造過程的計算機模擬［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［3］中國鑄造協(xié)會.熔模鑄造手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

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

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

［6］章舟.熔模精密鑄造技術(shù)問答［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.