基于數(shù)值模擬分析的導(dǎo)套鑄造工藝優(yōu)化

郭兆東，倪桂蘭，高玉龍

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾161005）

基于數(shù)值模擬分析的導(dǎo)套鑄造工藝優(yōu)化

郭兆東，倪桂蘭，高玉龍

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾161005）

以壓力機(jī)導(dǎo)套為例，基于凝固數(shù)值模擬分析，找出在鑄件的內(nèi)壁存在著大量的縮松易發(fā)區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化工藝，確定出導(dǎo)套最佳生產(chǎn)工藝符合同時(shí)凝固原則。得出改變內(nèi)澆口及冷鐵數(shù)量，增加人工補(bǔ)貼是消除導(dǎo)套縮松的有效措施。證明數(shù)值模擬技術(shù)是一種很好的鑄造工藝優(yōu)化工具。

模擬；縮松；同時(shí)凝固

導(dǎo)套在壓力機(jī)中是配合導(dǎo)柱一起使用的，帶動(dòng)滑塊做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成作業(yè)加工任務(wù)，起著支撐保護(hù)的作用，如圖1.導(dǎo)套的質(zhì)量?jī)?yōu)劣很大程度上取決于鑄造工藝的設(shè)計(jì)合理性，實(shí)際鑄件生產(chǎn)中，它的內(nèi)壁經(jīng)常出現(xiàn)縮松，甚至裂紋，導(dǎo)致漏油，從而影響裝機(jī)使用。本文以壓力機(jī)導(dǎo)套為例，利用鑄造模擬軟件模擬鑄件凝固過程，使工藝人員直觀的對(duì)鑄造缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行準(zhǔn)確分析，將模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的鑄件中存在的缺陷進(jìn)行比較、分析，提出解決方案。

圖1　機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1　鑄件結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)

導(dǎo)套為球墨鑄鐵件，毛坯質(zhì)量為600 kg，濕型砂造型，樹脂砂砂芯并刷涂石英粉涂料。外形尺寸為450mm×805 mm，平均壁厚為50 mm，壁厚較均勻，端部最薄處為12.5mm，有四處25mm厚加強(qiáng)筋，如圖2.

圖2　鑄件結(jié)構(gòu)

爐料配比為：回爐料30%+生鐵30%+廢鋼40%+石墨、銅板、孕育劑、球化劑，澆注溫度1420℃.生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)在鑄件的上端敞口及內(nèi)壁經(jīng)常出現(xiàn)縮松缺陷，廢品率較高。曾嘗試通過加大加工余量予以降低，但效果不明顯，反而增加了鑄造成本。

2　模擬分析

縮松的形成是因?yàn)橐簯B(tài)收縮和凝固收縮所形成的細(xì)小孔洞分散且得不到外部合金液的補(bǔ)充造成的[1]。在鑄件中存在任何形態(tài)的縮松，都會(huì)由于減小受力面積，以及在縮松處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而使鑄件的機(jī)械性能顯著降低。縮松的存在，還降低鑄件的氣密性和物理化學(xué)性能，因此，必須設(shè)法防止。利用華鑄CAE模擬軟件，針對(duì)原有工藝，對(duì)該鑄件進(jìn)行凝固過程數(shù)值模擬。結(jié)果顯示在鑄件的內(nèi)壁存在著大量的縮松易發(fā)區(qū)圖3b）深色部分，而頂部厚大部位并未出現(xiàn)縮孔縮松，如圖3，這與生產(chǎn)中鑄件位置基本吻合。通過凝固過程中液相孤立區(qū)的觀察、對(duì)比，初步懷疑加入的回爐料中含有的RE、Mg等球化元素，增大了鑄件的軸向收縮傾向，割裂了補(bǔ)縮通道，但調(diào)整回爐料配比后該現(xiàn)象并未消失，可以判定在工藝手段上需要改進(jìn)。

圖3　模擬效果

3　方案優(yōu)化

球鐵鑄件利用石墨化膨脹實(shí)現(xiàn)自身補(bǔ)縮時(shí)符合同時(shí)凝固原則，而壁厚均勻的鑄件，傾向于同時(shí)凝固[2]。通過多個(gè)內(nèi)澆口低溫快澆，減小縱向溫差，有利于同時(shí)凝固。另外，如果鑄件的長(zhǎng)度和高度大于冒口的有效補(bǔ)縮距離，可在鑄件上加補(bǔ)貼，造成人為的補(bǔ)縮通道，以消除中間區(qū)段的軸線縮松。而且在鑄件中間放置冷鐵，造成人為末端區(qū)，可延長(zhǎng)冒口的有效補(bǔ)縮距離，并且加速鑄件某局部熱節(jié)的冷卻，實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固原則。因此，冒口、補(bǔ)貼和冷鐵的綜合運(yùn)用，是消除縮松的有效措施。

基于上述理論，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，針對(duì)易出現(xiàn)的縮松部位，采取一系列的改進(jìn)措施。內(nèi)壁加工余量由原來的8mm增加到10mm；型腔全部改為樹脂砂結(jié)構(gòu)，提高鑄型剛度；爐襯、澆注工具必須充分烘干；孕育劑、球化劑應(yīng)烘烤后沖入法加入；涂料刷涂均勻，并增加內(nèi)澆口2道；冒口尺寸由20mm×40mm加大為30mm×50mm；內(nèi)壁隨型石墨冷鐵數(shù)量增多，以提高鑄鐵件的冷卻速度；根據(jù)“高溫出爐、低溫澆注”原則，澆注溫度降為1 350℃，快速澆入。利用模擬軟件再次模擬凝固過程發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁易產(chǎn)生縮松部位有了很大改善，如圖4b），深色部位為易產(chǎn)生縮松位置。

圖4　優(yōu)化工藝效果

4　結(jié)束語(yǔ)

采用軟件模擬導(dǎo)套凝固過程的結(jié)果表明，模擬軟件能有效地預(yù)測(cè)優(yōu)化方案后對(duì)缺陷位置的影響。通過對(duì)工藝進(jìn)行合理的局部改進(jìn)后，在實(shí)際生產(chǎn)中選擇最佳的改進(jìn)方案，能夠得到質(zhì)量合格的鑄件?？梢钥闯觯T件的模擬仿真是一種有效的鑄造工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具，提高工藝出品率，縮短試制周期，這應(yīng)該是改造傳統(tǒng)鑄造業(yè)的必由之路。

［1］藺亞琳，李志翔，曹菊艷.淺析球墨鑄鐵件缺陷產(chǎn)生原因及防止措施［J］.鑄造，2010，59（6）：591-593.

［2］安閣英.鑄件形成理論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989：218-220.

Casting Process Optim ization of Guide Sleeve Based on Num erical Simu lation Analysis

GUO Zhao-dong，NIGui-lan，GAO Yu-long
（Qiqihar Second Machine Tool CO.LTD.，Qiqihar Heilongjiang 161005，China）

This paper takes the punchingmachine guide sleeve as an example，basing on the numerical simulation analysis of solidification to find the shrinkage porosity susceptible area in the casting inwall.According to the results of simulation optimization technique，the optimal production technology of guide sleeve consistents with the simultaneous solidification principle.Changing the gating and cold iron quantity and increasing pads are the effective measures to eliminate guide sleeve shrinkage.The technology of numerical simulation analysis is proved a good optimization tool in the casting process.

simulation，shrinkage porosity，solidification

TG24

B

1674-6694（2015）04-0013-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.006

2015-03-28

郭兆東（1980-），男，碩士研究生，工程師，主要從事鑄造專業(yè)基礎(chǔ)理論研究及工藝圖紙的編制。