CAE技術(shù)在大型鑄鋼件鑄造缺陷預(yù)測(cè)和控制中的應(yīng)用

鄭建斌，李章新，王火生，張　祥

（1.福建興航機(jī)械鑄造有限公司，福建長(zhǎng)樂350203；2.福建工程學(xué)院，福建閩侯350118）

CAE技術(shù)在大型鑄鋼件鑄造缺陷預(yù)測(cè)和控制中的應(yīng)用

鄭建斌1，李章新1，王火生2，張祥1

（1.福建興航機(jī)械鑄造有限公司，福建長(zhǎng)樂350203；2.福建工程學(xué)院，福建閩侯350118）

針對(duì)大型鑄鋼件冷型，運(yùn)用Flow3D軟件輔助進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，通過數(shù)值模擬分析了金屬液的充填過程、加冷鐵前后的凝固過程，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的缺陷。結(jié)果表明，采用三層式橫澆道的開放式澆注系統(tǒng)可以保證金屬液充型過程平穩(wěn)，氧化物分布在明冒口處，不會(huì)在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生氧化物夾雜；沒有加冷鐵時(shí)，整個(gè)鑄件基本同時(shí)凝固，在鑄件內(nèi)部存在比較嚴(yán)重的疏松，而縮孔則集中在明冒口處；在鑄型底部放置外冷鐵，可以有效促進(jìn)鑄件底部的冷卻，形成一個(gè)自下而上的溫度差，實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，消除了疏松缺陷。

大型鑄件；冷型；數(shù)值模擬；鑄造工藝

1　零件結(jié)構(gòu)分析與鑄造工藝設(shè)計(jì)

圖1為鑄鋼件零件圖，材質(zhì)為ZG230-450，該零件為圓管式，長(zhǎng)度3 655mm，最大外徑1 410mm，內(nèi)孔直徑415mm，最大壁厚約500mm，質(zhì)量約23 t.由于零件尺寸較大，壁厚也較大，容易形成縮孔疏松等鑄造缺陷。

圖1　零件圖

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，采用臥式澆注，鑄造工藝如圖2所示。澆注系統(tǒng)為開放式，分別在制件兩側(cè)開設(shè)澆注系統(tǒng)。直流道截面積為80mm，下設(shè)三層橫澆道，截面積均為80mm，第一層橫澆道設(shè)4個(gè)內(nèi)澆口，第二層和第三層設(shè)2個(gè)內(nèi)澆口，截面積均為80mm.同時(shí)，在制件頂部設(shè)2個(gè)明冒口。

圖2　鑄造工藝圖

2　充填過程與凝固過程分析

數(shù)值模擬采用Flow-3D軟件，該軟件運(yùn)用自由液面追蹤技術(shù)，即VOF算法，當(dāng)流體分裂或聚合時(shí)，流體表面會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)、溶合或消失，因此適合計(jì)算鑄造時(shí)液態(tài)金屬流動(dòng)狀態(tài)。該軟件已被廣泛應(yīng)用于各種金屬材料的鑄造成型，尤其廣泛應(yīng)用于澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1金屬液充填過程

設(shè)金屬液在直澆道入口處的速度為2m/s，充填過程的數(shù)值分析結(jié)果如圖3所示，可以看出，由于采用開放式澆注系統(tǒng)，流道在充填過程中沒有太大阻力，可以較平穩(wěn)地進(jìn)入型腔中，由于重力加速作用，流體流速不斷加快，根據(jù)伯努力原理，金屬液流束的截面積會(huì)縮小，從而導(dǎo)致流道沒有被金屬液充滿。金屬液從底部向頂部平穩(wěn)上升，至214 s時(shí)完成澆注過程。

圖3　金屬液充填過程數(shù)值分析結(jié)果（溫度單位：K）

高溫金屬液在充填過程中由于與空氣接觸會(huì)產(chǎn)生氧化物，該制件由于充填過程平穩(wěn)，有利于這些氧化物的上浮。圖4為氧化物的分布位置，可以看出，最終的氧化物主要分布在冒口處，因此不會(huì)對(duì)制件的質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖4　氧化物分布

2.2金屬液凝固過程

金屬液充滿型腔后，冷卻凝固過程如圖5所示，可以看出，由于鑄件是端部和中心位置壁厚較小，冷卻速率較快，因此首先凝固（如圖5（c））。明冒口位置最后凝固（如圖5（d）），這可以充分發(fā)揮明冒口的補(bǔ)縮作用。

圖5　金屬液凝固過程（無冷鐵）

凝固結(jié)束后，縮孔疏松位置如圖6所示，可以看出，在明冒口處出現(xiàn)了比較大的縮孔，且縮孔的深度較大，已經(jīng)無法滿足該位置零件的壁厚要求，因此在凝固過程中需要在明冒口處進(jìn)行二次澆注。而在零件底部，沿壁厚方向存在比較大面積的疏松，這將會(huì)影響鑄件的質(zhì)量，可以通過在底部增設(shè)冷鐵，消除疏松。

圖6　凝固后的縮孔疏松分布（無冷鐵）

3　加入冷鐵后凝固過程分析

為消除圖6所示的疏松缺陷，在鑄件底部放置外冷鐵，如圖7所示。沿截面方向，冷鐵覆蓋1/4周長(zhǎng)，以加強(qiáng)底部的冷卻，達(dá)到由底部至頂部的順序凝固效果，從而促進(jìn)頂部液態(tài)金屬對(duì)底部的補(bǔ)縮作用。

圖7　冷鐵放置位置

安放冷鐵后的凝固過程如圖8所示，可以看出，此時(shí)金屬的凝固是從鑄件兩端和底部開始，再逐漸向頂部凝固（如圖8b）、c）），達(dá)到了順序凝固的效果。最終疏松位置如圖9，可以看出，在鑄件內(nèi)孔下部的表面分布著少量疏松，這可以通過內(nèi)孔表面機(jī)械加工去除。

為進(jìn)一步說明安放冷鐵后對(duì)凝固順序的影響，取制件中部的三個(gè)點(diǎn)A、B、C（如圖7所示），比較其放置冷鐵前后的溫度變化，結(jié)果如圖10.可以看出，A點(diǎn)和B點(diǎn)加冷鐵后的降溫速率明顯較無冷鐵時(shí)快，且A點(diǎn)的降溫速率較B點(diǎn)快，冷鐵對(duì)C點(diǎn)的影響很小。從時(shí)間看，無冷鐵時(shí)，從澆注到凝固完成，A、B、C三點(diǎn)的溫度差別都不大。加冷鐵后，隨著凝固時(shí)間的延長(zhǎng)，A、B、C三點(diǎn)溫度差逐漸擴(kuò)大，在7.5 h，A點(diǎn)與B點(diǎn)的溫差為259℃，B點(diǎn)與C點(diǎn)溫差為137℃.在16.4 h，A點(diǎn)與B點(diǎn)的溫差為230℃，B點(diǎn)與C點(diǎn)溫度為195℃.這充分表明，加冷鐵后，越靠近鑄件底部，冷卻速度越快，而頂部溫度基本恒定，從而形成了一個(gè)自下而上的溫度差，有力促進(jìn)了順序凝固。

圖8　金屬液凝固過程（加冷鐵）

圖9　凝固后的縮孔疏松分布（加冷鐵）

圖10　鑄件中部A、B、C點(diǎn)（如圖7）在加冷鐵前后的冷卻速度比較

4　結(jié)論

1）采用三層式橫澆道的開放式澆注系統(tǒng)可以保證金屬液充型過程平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)由底自頂順序充填，保證氧化物分布在明冒口處，不會(huì)在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生氧化物夾雜；

2）沒有加冷鐵時(shí)，由于鑄件壁厚較大，整個(gè)鑄件基本同時(shí)凝固，在鑄件內(nèi)部存在比較嚴(yán)重的疏松。而縮孔則集中在明冒口處，通過補(bǔ)澆金屬液，可以防止縮孔對(duì)鑄件本體的影響；

3）在鑄型底部放置外冷鐵，可以有效促進(jìn)鑄件底部的冷卻，形成一個(gè)自下而上的溫度差，實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，消除了疏松缺陷。

［1］黃天佑，劉小剛，康進(jìn)武，等.我國(guó)大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)［J］.鑄造，2007（9）：899-904.

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［3］楊弋濤，陳萌，邵光杰.鑄造模擬在大型復(fù)雜鑄鐵件上的實(shí)用研究［J］.鑄造，2005（3）：265-267.

［4］史艷國(guó)，劉振華，張慶玲，等.大型鑄鋼件冒口設(shè)計(jì)及其凝固過程模擬［J］.中國(guó)科技論文，2013（8）：787-791.

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App lication of CAE Technology in Prediction and Control of Cast Defects for Large Cast Steel Part

ZHENG Jian-bin1，LIZhang-xin1，WANG Huo-sheng2，ZHANG Xiang1
（1.Fujian Xinghang Machinery Casting CO.LTD.，Changle Fujian 350203，China；2.Fujian University of Technology，Minhou Fujian 350118，China）

Flow3D software was used to assist the casting process design of large cast steel part cold type.The filling and solidification process with or without chilled iron were analyzed and the cast defects were predicted.The results showthat molten metal filled cavity steadily with an open gating system which consist of three layers runner system and surface defect distributed in riser.Casting cooled simultaneously without chilled iron，micro-porosity distribute in part badly and macro-porosity concentrate in riser.Casting solidification developed form bottom with chilled iron fixed under the cavity which created temperature difference between the up and down partof casting，thatwas favor to directional solidification andmicro-porosity elimation.

large casting，cold type，numerical simulation，casting process大型鑄鋼件多數(shù)是單件或小批量生產(chǎn)，單件生產(chǎn)成本投入大，如何保證鑄件的100%成品率是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的反復(fù)試錯(cuò)法已不適合這類產(chǎn)品的生產(chǎn)[1，2]。本企業(yè)長(zhǎng)期致力于20 t~100 t大型鑄鋼件的生產(chǎn)，如何運(yùn)用有效的技術(shù)手段輔助開展鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì)是近年來努力的方向，采用鑄造CAE技術(shù)進(jìn)行鑄造缺陷預(yù)測(cè)，優(yōu)化鑄造工藝，已是大型鑄件生產(chǎn)的必要手段[3-5]。在大型鑄鋼件開發(fā)中美國(guó)flowscience公司的flow3D CAE技術(shù)發(fā)揮了重要作用，本文以大型鑄鋼件冷型為例，介紹CAE技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用效果。

TG245

A

1674-6694（2015）04-0045-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.017

2015-03-27

鄭建斌（1968－），男，福建莆田人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事鑄造技術(shù)管理工作。