大鏈輪鑄鋼件的鑄造工藝優(yōu)化

安成成，王定軍，王愛江（蘭石鑄鍛有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730050）

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大鏈輪鑄鋼件的鑄造工藝優(yōu)化

安成成，王定軍，王愛江
（蘭石鑄鍛有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730050）

摘要：運(yùn)用華鑄CAE模擬技術(shù)對(duì)大鏈輪鑄鋼件的鑄造工藝的凝固過程進(jìn)行了模擬,分析了縮松、縮孔等缺陷形成的原因。在此基礎(chǔ)上,通過華鑄CAE模擬技術(shù)不斷調(diào)整補(bǔ)貼、冒口、澆注系統(tǒng)的尺寸和結(jié)構(gòu),并進(jìn)行凝固模擬,最終獲得了合適的工藝。結(jié)果表明：應(yīng)用CAE模擬技術(shù)可有效地預(yù)測(cè)鑄造充型凝固過程中可能出現(xiàn)的縮孔、縮松缺陷,并能輔助優(yōu)化鑄造工藝，保證鑄件質(zhì)量，提高工藝出品率，節(jié)約大量實(shí)驗(yàn)成本。

關(guān)鍵詞：大鏈輪；華鑄CAE軟件；鑄造工藝；數(shù)值模擬

鑄造是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)工業(yè)部門，在各個(gè)行業(yè)中占有重要地位，是一個(gè)國家的生產(chǎn)實(shí)力的標(biāo)志。但是鑄件形成過程中產(chǎn)生的某些宏觀缺陷，如偏析、縮孔、縮松、裂紋等都嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量，即使經(jīng)過塑性加工也不能完全消除它們對(duì)鑄件的影響，后期對(duì)缺陷進(jìn)行的焊補(bǔ)修復(fù)又消耗大量的人力、物力，增加了鑄件成本。而盲目地更改工藝，成本高且效率低。因此，運(yùn)用華鑄CAE模擬技術(shù)研究鑄件形成過程對(duì)獲得高質(zhì)量鑄件具有十分重要的意義。鑄件的凝固過程是一個(gè)復(fù)雜的高溫、動(dòng)態(tài)、瞬時(shí)的變化過程，通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以在生產(chǎn)前預(yù)測(cè)缺陷產(chǎn)生的位置、大小，并進(jìn)行工藝優(yōu)化，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量又降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)效益。

1　原工藝方案介紹

本文以大鏈輪鑄鋼件為研究對(duì)象，鑄件的輪廓尺寸為φ686mm×425mm，質(zhì)量約為410kg，材質(zhì)為ZG310-570。要求鑄件不得有氣孔、裂紋、砂眼、縮孔、縮松等影響強(qiáng)度的缺陷。

1.1冒口設(shè)置

1.1.1模數(shù)法

冒口大小及位置設(shè)置采用模數(shù)法計(jì)算，熱節(jié)圖如圖1所示：

熱節(jié)1模數(shù)：

計(jì)算模數(shù)：M=d×b/2(d+b)=101×257/2(101+257)= 3.6cm

設(shè)計(jì)φ200mm×400mm×300mm砂型暗冒口3個(gè)均布，冒口模數(shù)/鑄件模數(shù)=4.85/3.6=1.35，計(jì)算證明該冒口的補(bǔ)縮能力足夠。

冒口的補(bǔ)縮距離計(jì)算：L=3（400+4×101）＞2π× 305，可見該冒口的補(bǔ)縮距離足夠。

圖1　鑄件熱節(jié)圖

熱節(jié)2模數(shù)：

M=d×b/2(d+b)=118×272/2(118+272)=4.1cm

選φ470mm+15mm半球冒口，冒口模數(shù)/鑄件模數(shù)=5.5/4.1=1.34，計(jì)算證明該冒口的補(bǔ)縮能力足夠。

1.1.2補(bǔ)縮液量法

鑄件應(yīng)補(bǔ)縮液量與冒口可補(bǔ)縮液量關(guān)系如下：

W鑄×5%=W冒×12%

熱節(jié)1部位冒口液量為140Kg，根據(jù)上式計(jì)算得熱節(jié)1部位可補(bǔ)縮液量為336Kg，實(shí)際熱節(jié)1部位補(bǔ)縮液量為185Kg，可見所設(shè)計(jì)砂型冒口補(bǔ)縮能力足夠。

熱節(jié)2部位冒口液量為230Kg，根據(jù)上式計(jì)算得熱節(jié)2部位可補(bǔ)縮液量為552Kg，實(shí)際熱節(jié)2部位補(bǔ)縮液量為222Kg，可見所設(shè)計(jì)半球冒口補(bǔ)縮能力足夠。

1.2澆注系統(tǒng)設(shè)置

采用底返式澆注系統(tǒng)，漏包澆注。鑄鋼件鑄造性能差，流動(dòng)性差，鋼液分2路同時(shí)引入型腔，各組元截面面積比例一般為：

ΣF包∶ΣF直∶ΣF內(nèi)=1∶(1.7～2.0)∶2.0

根據(jù)鋼包包孔直徑Φ60mm，通過計(jì)算澆注系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)大小如下：

F直=Φ80mm,F內(nèi)=Φ60mm（2個(gè)）

1.3其他工藝參數(shù)設(shè)置

1）澆注溫度為1520℃，鑄造收縮率取2%；

2）選用呋喃樹脂自硬砂造型；

3）澆注時(shí)鑄件水平放置，鑄件大部分位于下箱；

該方案工藝設(shè)計(jì)計(jì)算通過工藝評(píng)審，認(rèn)為完全合理，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)該鑄件出現(xiàn)批量性縮孔、縮松等缺陷，從工藝設(shè)計(jì)方面沒有可行的改進(jìn)辦法。面對(duì)這一問題，借助CAE軟件對(duì)鑄件進(jìn)行凝固模擬分析，希望能改進(jìn)鑄件質(zhì)量，解決該產(chǎn)品因缺陷導(dǎo)致后期需要大量焊補(bǔ)，消耗人力、物力，增加的鑄件成本的問題。

2　工藝改進(jìn)

2.1原工藝模擬

用三維繪圖軟件繪出鑄件的實(shí)體模型，轉(zhuǎn)化為STL格式文件，導(dǎo)入CAE軟件，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分和參數(shù)設(shè)置。鑄件均勻網(wǎng)格大小為5mm，網(wǎng)格數(shù)8836506。鑄件凝固過程如圖2所示。模擬結(jié)果與實(shí)際問題相符，缺陷位置如圖3所示。

圖2　原工藝凝固過程

圖3　原工藝缺陷分布

原因分析：

從凝固過程可以看出，t=1500s時(shí)，鑄件輪齒部位和澆注系統(tǒng)最先開始冷卻、凝固；t=2500s時(shí)，凝固過程進(jìn)一步進(jìn)行，并向上擴(kuò)展，冒口對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮；t=3500s時(shí)，凝固過程延伸到了冒口底部和鑄件接觸的區(qū)域；t=5000s時(shí)，鑄件補(bǔ)縮通道逐漸斷開，出現(xiàn)孤立液相區(qū)，由于這些孤立液相區(qū)得不到補(bǔ)縮，凝固的后期必然會(huì)出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。t=5300s時(shí)，鑄件完全凝固。

模擬結(jié)果顯示半球冒口的補(bǔ)縮能力不足，補(bǔ)縮通道過早的阻斷，而腰形冒口似乎沒有起到補(bǔ)縮作用。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鑄件主要在半球形冒口根部以及鑄件圓周與筋板的交接處產(chǎn)生了大量縮孔、縮松缺陷，腰形冒口下有少量縮孔分布，與模擬結(jié)果預(yù)測(cè)的缺陷位置一致。

2.2第一種工藝改進(jìn)方案

根據(jù)原工藝方案的模擬結(jié)果，改進(jìn)的要點(diǎn)是消除鑄件中的孤立液相區(qū)和鑄件上表面的縮松區(qū)，為此增加中間半球冒口的高度，適當(dāng)降低3個(gè)腰形冒口的高度，其他參數(shù)不變。改進(jìn)方案1模擬結(jié)果如圖4所示：

圖4　改進(jìn)方案1缺陷分布

可以看出，半球冒口起到了圓滿補(bǔ)縮的作用，但是輪緣與筋板交接處的熱節(jié)仍沒有完全消除，凝固后期出現(xiàn)了縮松缺陷。模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了3個(gè)腰形冒口沒有起到補(bǔ)縮作用，凝固成了實(shí)體。

2.3第二種工藝改進(jìn)方案及模擬結(jié)果

根據(jù)上述兩種方案的模擬結(jié)果，在產(chǎn)生缺陷的兩筋板之間增加補(bǔ)貼，去掉3個(gè)腰形冒口，適當(dāng)增加中間半球冒口的高度，其他工藝參數(shù)不變。

對(duì)改進(jìn)方案2進(jìn)行凝固模擬，其凝固過程如圖5所示。其中深色顯示的部位表示鋼液仍處于液態(tài)或半液態(tài)，沒有完全凝固，淺色區(qū)域表示已經(jīng)完全凝固。可以看出在凝固時(shí)間t=1500 s時(shí)，澆注系統(tǒng)和鑄件底部最先開始凝固；凝固依次向上擴(kuò)展，隨著凝固過程的進(jìn)行，t=6200s時(shí)，此時(shí)處于凝固的最后階段，鑄件已經(jīng)完全凝固，冒口內(nèi)殘留一定高度的金屬液體，冒口最后凝固。

圖5　改進(jìn)方案2凝固過程

改進(jìn)方案2模擬的缺陷預(yù)測(cè)如圖6所示。鑄件內(nèi)部沒有縮孔、縮松缺陷，縮孔、縮松已經(jīng)成功轉(zhuǎn)移到了冒口及冒口補(bǔ)貼中。冒口內(nèi)金屬的溫度始終處于鑄件的最高狀態(tài)，使得整個(gè)鑄件形成一個(gè)正的溫度梯度，補(bǔ)縮通道暢通，冒口是最后凝固部位，實(shí)現(xiàn)了從鑄件到冒口的順序凝固。

圖6　改進(jìn)方案2缺陷分布

3　結(jié)論

1）筆者單位采用改進(jìn)方案2進(jìn)行了生產(chǎn)，經(jīng)檢測(cè)證實(shí)鑄件表面及內(nèi)部均沒有縮孔、縮松等缺陷，表面質(zhì)量完好，是合格的無缺陷產(chǎn)品。通過這次工藝優(yōu)化，工藝設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中積累了經(jīng)驗(yàn)，這為相似產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)提供了參考。

2）采用CAE模擬技術(shù)可以直觀的顯示鑄造充型、凝固過程，預(yù)測(cè)鑄件可能出現(xiàn)的缺陷及部位，分析鑄件產(chǎn)生缺陷的原因，從而有效地輔助工藝人員制定工藝方案及對(duì)工藝方案進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化，提高出品率。最終能夠幫助企業(yè)減少實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短鑄件的生產(chǎn)周期和提高生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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