CAE分析技術(shù)在厚壁齒輪件工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李玉葉,張鈞城

（共享裝備有限公司，寧夏銀川750021）

CAE分析技術(shù)在厚壁齒輪件工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李玉葉,張鈞城

（共享裝備有限公司，寧夏銀川750021）

鑄鐵凝固過(guò)程是高溫、復(fù)雜、不可見(jiàn)的，鑄造CAE分析技術(shù)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬直觀顯示充型、凝固過(guò)程中溫度變化和缺陷位置，可以有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)、試制周期，提高鑄件質(zhì)量，極大地提升鑄造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。本文介紹通過(guò)運(yùn)用鑄造CAE輔助分析模擬，利用厚壁件石墨化膨脹達(dá)到自補(bǔ)縮效果，成功指導(dǎo)厚壁齒輪件產(chǎn)品的工藝改進(jìn)過(guò)程。

鑄造CAE；工藝模擬；鑄造缺陷；厚壁齒輪；石墨化膨脹

C A E技術(shù)又稱(chēng)數(shù)值模擬仿真技術(shù)，是對(duì)研究對(duì)象（過(guò)程）進(jìn)行數(shù)值建模、分析求解、預(yù)測(cè)趨勢(shì)的一種技術(shù)。鑄造C A E輔助技術(shù)針對(duì)鑄造過(guò)程，建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)有限元等方法合理求解，直觀描述鑄件生產(chǎn)過(guò)程，可以預(yù)測(cè)鑄造缺陷，優(yōu)化工藝，最終得到質(zhì)量要求更高的鑄件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的急速發(fā)展，C A E輔助技術(shù)在鑄造方面的作用得到更廣泛的認(rèn)可[2]，制造行業(yè)也迎來(lái)了向科技化、機(jī)械化、綠色化的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

現(xiàn)今，在實(shí)際澆注前對(duì)鑄造工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析成為鑄造過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)和手段[3]。計(jì)算機(jī)模擬以傳統(tǒng)鑄造理論、有限元分析、流體力學(xué)等理論為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，使鑄造變成“睜眼澆注”[4]，方便了工藝技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化，甚至成為了鑄造企業(yè)實(shí)力強(qiáng)勝的象征，為鑄造行業(yè)帶來(lái)了不可估量的經(jīng)濟(jì)效益，成為各國(guó)學(xué)者、技術(shù)人員關(guān)注和研究的熱點(diǎn)[5]。鑄造C A E技術(shù)應(yīng)用的一般流程如圖1所示。

圖1 鑄造仿真技術(shù)應(yīng)用流程

通過(guò)應(yīng)用C A E技術(shù)進(jìn)行鑄造過(guò)程輔助模擬分析，對(duì)厚壁齒輪的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，充分利用了鑄鐵材料石墨化膨脹原理，達(dá)到提高出品率，優(yōu)化質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。

1 鑄件介紹及初步工藝方案

厚壁齒輪鑄件如圖2所示，輪廓尺寸為5125mm ×1 885mm×1 210mm，重量為43 160 kg，最大壁厚259 mm，最小壁厚120 mm，材質(zhì)為國(guó)標(biāo)Q T700-2.無(wú)損檢測(cè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)E N12680-3，要求齒輪面、打孔部位及其他加工面均不能有任何缺陷，剩余部位U T 2級(jí)以上。

根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)，此鑄件使用重力鑄造方式，型砂為呋喃樹(shù)脂自硬砂，金屬材料為中頻電爐熔煉，主要配料是生鐵、廢鋼和機(jī)鐵。

圖2 鑄件圖

僅設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，無(wú)冒口、冷鐵進(jìn)行最初模擬（圖3）。模擬結(jié)果分析顯示，鑄件最后凝固區(qū)域在端面的中間（圖4），靠近加工部位，導(dǎo)致加工部位形成嚴(yán)重縮松缺陷，存在加工風(fēng)險(xiǎn)，且鑄件頂部嚴(yán)重縮沉，需進(jìn)一步設(shè)計(jì)冷鐵和冒口，以期減小或者消除縮松缺陷。

圖3 初始模擬結(jié)果

圖4 初始模擬最后凝固部位

計(jì)算冒口與冷鐵尺寸，根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行冒口、冷鐵設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)數(shù)版模擬后，最終確定方案如圖5所示，齒輪面鋪滿冷鐵，加工部位部分鋪冷鐵，選用大尺寸發(fā)熱冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，鑄件中縮松缺陷很小，如圖6所示，且無(wú)加工外露風(fēng)險(xiǎn)，判定模擬合格，可以生產(chǎn)。

圖5 改進(jìn)前確定工藝方案

圖6 改進(jìn)前方案模擬結(jié)果

雖然根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，此種方案生產(chǎn)鑄件可行，且鑄件無(wú)損檢測(cè)結(jié)果能夠達(dá)到顧客質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，但鑄件出品率低，操作、清理工作量大，經(jīng)濟(jì)效益小，為求技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)劃對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 工藝方案改進(jìn)

摒棄以往工藝設(shè)計(jì)思維桎梏，換個(gè)方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。此鑄件壁厚，且趨近勻壁，考慮構(gòu)建均勻壁厚，并利用球鐵材料凝固過(guò)程中石墨化膨脹原理達(dá)到的“自補(bǔ)縮”效果，做到無(wú)冒口、少冷鐵、高質(zhì)量。

鑒于原1/2齒輪鑄件體積大、質(zhì)量重，試驗(yàn)耗時(shí)耗物，使用1/16齒輪試塊進(jìn)行模擬試驗(yàn)和試制。1/16試塊使用原工藝結(jié)果如圖7所示，模擬縮松缺陷情況如圖8，鑄件中無(wú)縮松和其他缺陷，無(wú)加工風(fēng)險(xiǎn)，符合顧客工藝規(guī)范要求。但是出品率低，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜。

圖7 改進(jìn)前1/16試塊方案

圖8 改進(jìn)前1/16試塊模擬結(jié)果

根據(jù)鑄件特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)冒口與冷鐵，經(jīng)過(guò)多次模擬試驗(yàn)對(duì)比，確定最終工藝方案，如圖9所示，利用冷鐵塑造等壁厚條件，結(jié)合厚壁鑄件凝固中石墨化膨脹效果，利用油瓶冒口進(jìn)行液態(tài)補(bǔ)縮，并保障及時(shí)封閉補(bǔ)縮通道。

模擬結(jié)果如圖10所示，從圖10可以看出，鑄件中無(wú)其他缺陷，縮松缺陷極小，無(wú)加工風(fēng)險(xiǎn)，符合顧客鑄件質(zhì)量要求。冷鐵使用率由原方案的19%下降到6%，鑄件出品率由原方案的76%上升到84%，可操作性與經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

Application of Foundry CAE Technology in Thick Gear Casting Process Design

LIYu-ye ZHANG Jun-cheng
（Kocel Machinery Lim ited，Yinchuan Ningxia 750021，China）

Iron solidification process is characteristiced by high temperature，complex and invisible.Foundry CAE technology can visually display the temperature change and defects posotion during filling and solidification process.Using CAE technology can cut down the testing period greatly，improve the quality of castings and enhance the competitiveness of foundry enterprises.With the use of the foundry CAE technology simulation，considering the graphitizing expansion in thick section，the casting process of thick gear is improved successfully.

foundry CAE，casting process simulation，casting defects，thick gear，graphitizing expansion

TP391

A

1674-6694（2015）06-0029-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.009

2015-08-28

李玉葉（1990-），女，主要從事鑄造CAE輔助分析工作。E-mail：liyuye199003@163.com