鑄造CAE技術在超大變截面小型球鐵件工藝中的應用

鑄造CAE技術在超大變截面小型球鐵件工藝中的應用

姚紅汝，張龍江

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

介紹了應用MAGMA模擬軟件在超大變截面小型球鐵鑄件工藝設計中的改進實例。該軟件能夠準確預測出鑄件縮松等多種鑄造缺陷，從而找出解決此類問題的方法，有利于鑄造工藝的優(yōu)化和鑄件質量的提高。

CAE；Magma；數(shù)值模擬；鑄造

隨著鑄造技術模擬軟件的普及深入，傳統(tǒng)的鑄造業(yè)正在從憑借經(jīng)驗生產(chǎn)轉為在理論指導下的科學生產(chǎn)。近些年，CAE計算機鑄造工藝模擬軟件在各鑄造公司的應用越來越普遍，應用這些軟件可以較為準確地預測各種鑄造缺陷，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設計、消除熱裂冷裂、轉移關鍵區(qū)域縮松等缺陷。我公司引進了MAGMA軟件，進行鑄造過程輔助模擬分析，通過充型、凝固過程的模擬，并結合以往類似件生產(chǎn)的經(jīng)驗，成功設計出符合客戶要求的工藝方案。并將其應用到鑄造工藝優(yōu)化設計中，減輕了設計強度，提高了工作效率，縮短了試制周期，降低了生產(chǎn)成本，從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益，增強了企業(yè)的競爭能力[1，2]。

1行星架的鑄件結構及技術要求

如圖1所示為行星架鑄件示意圖，輪廓尺寸為348 mm×348 mm×200 mm，重量為60 kg，最大壁厚74 mm，最小壁厚34 mm，最大截面面積147 290 mm2，最小截面面積為3 036 mm2，材質為國標600-3.無損檢測根據(jù)標注EN12680-3，要求頂面法蘭面、底面法蘭面、所有臺子不得有任何缺陷，其他部位均為UT二級。根據(jù)工藝經(jīng)驗，此鑄件使用重力鑄造方式，型砂為呋喃樹脂自硬砂，金屬材料主要配料是生鐵、廢鋼和機鐵，用中頻電爐熔煉。

圖1行星架鑄件示意圖

2原工藝方案模擬及生產(chǎn)結果

2.1裸模模擬

首先僅設計澆注系統(tǒng)，不設置冒口和冷鐵，進行初步模擬。模擬分析發(fā)現(xiàn)，在鑄件需加工部位存在嚴重縮松，有加工風險，行星架柱子根部靠近上下法蘭面均有不同程度的縮松，如圖2、圖3深色部位顯示。

圖2裸?？s松缺陷模擬結果

圖3裸模液相凝固過程

此鑄件的工藝難度在于頂法蘭面的截面積超大，而柱子的截面積較小，從液相凝固過程可以看到（圖3），凝固過程中的補縮通道被打斷，無論是從放冒口還是冷鐵的思路都沒法連通此補縮通道，只有近一步增加冷鐵和冒口以期減小或者轉移縮松缺陷。

2.2無冷鐵模擬

在鑄件頂面法蘭面分別放4個50 mm×10 mm出氣片模擬，不放冷鐵，因出氣片在凝固過程的前期就已經(jīng)凝固，起不到補縮作用，縮松缺陷得不到改善，如圖4中深色部位。繼續(xù)在頂法蘭面將出氣片改為四個φ8/12 K保溫發(fā)熱冒口進行模擬，如圖5中深色部位所示，頂法蘭面的縮松缺陷干凈，但是柱子根部靠近底法蘭面縮松缺陷嚴重，需要進一步的改進。

圖6底面增加冷鐵工藝結構示意圖

圖7加冷鐵后縮松模擬結果示意圖

圖8現(xiàn)場生產(chǎn)鑄件UT結果

圖4加出氣片模擬結果

圖5加冒口模擬結果

2.3增加冷鐵模擬

為改善底法蘭面的縮松缺陷，在之前加了發(fā)熱冒口方案的基礎上底面增加冷鐵進行模擬，先是在正對柱子根部增加四塊冷鐵（圖6所示），模擬結果顯示（圖7），底面縮松缺陷趕到了底法蘭面的臺子中間，根據(jù)加工圖，此處需要打φ40 mm的孔，縮松缺陷尺寸也在40 mm之內，模擬合格，可以指導現(xiàn)場生產(chǎn)。

2.4現(xiàn)場生產(chǎn)結果

根據(jù)模擬結果，將模擬合格的工藝下發(fā)到生產(chǎn)現(xiàn)場，圖8為生產(chǎn)鑄件UT結果顯示，鑄件底法蘭面貫通二層臺位置有縮松缺陷，具體分析是因為底面冷鐵加的太少，實際鑄件在凝固過程中，因為鑄件之間的熱影響、砂芯傳熱不均勻等各種因素造成的鑄件質量不穩(wěn)定，需要近一步優(yōu)化工藝方案。

3工藝方案改進及生產(chǎn)結果

3.1工藝改進

考慮到原使用4個φ8/12 K冒口工藝出品率低，且底面使用4塊冷鐵現(xiàn)場生產(chǎn)結果不穩(wěn)定的因素，現(xiàn)考慮將4個φ8/12 K的冒口改為2個φ8/12 K的冒口，中間采用冷鐵分區(qū)，同時在底法蘭面和二層臺上增加冷鐵，且底法蘭面的冷鐵厚度較大，形成冷鐵梯度，如圖9所示。

如圖10，模擬縮松結果顯示，凝固順序良好，冒口補縮效果明顯，放冒口的兩個柱子頂面主要靠冒口補縮，放冷鐵的兩個柱子主要靠自補縮，底法蘭

圖9改進后的冷鐵及冒口設置

面、二層臺及柱子底面冷鐵激冷效果明顯，最后凝固的部位為柱子中間區(qū)域，也是產(chǎn)生縮松缺陷的部位，但此部位的縮松在顧客工藝規(guī)范允許的范圍內，無加工風險。將此改進后的冷鐵冒口布置工藝重新下發(fā)，再次生產(chǎn)此鑄件。

圖10改進后的縮松模擬結果

工藝改進后減掉了兩個φ8/12 K的冒口，提高了工藝出品率，工藝出品率由改進前的79%提高到88%.

3.2改進后方案現(xiàn)場生產(chǎn)結果

按照改進后的工藝進行試生產(chǎn)，生產(chǎn)結果為UT區(qū)域無縮松，鑄件表面干凈無夾渣夾砂等缺陷，鑄件質量符合顧客要求（見圖11），工藝改進成功。

4結束語

置只能設計在標識部位。由于此處在澆注過程中整個處于鐵液的包圍之中，周圍沒有任何支撐，當鐵液上升至砂芯此處時，在鐵液的浮力作用下，砂芯會在標識部位發(fā)生斷裂造成漂芯現(xiàn)象。

針對上述現(xiàn)象，制定了以下兩條措施：

1）設計芯骨連接結構，解決由于分體芯骨導致在砂芯拐角處砂芯斷裂的問題；

2）研箱時，在19#砂芯與上下層砂芯之間使用芯撐來充分保證砂芯之間的壁厚，同時要求上下層砂芯之間的芯撐位置也是一一對應。

改進后，漂芯問題得到徹底解決。

3結論

在L21前端箱體試制過程中，因為該鑄件的制芯、造型、研箱工序為手工操作，所以一些常規(guī)缺陷如砂眼等很難避免，但是對于由于鑄件結構和工藝設計方面存在的問題造成的缺陷可以通過專題攻關來進行解決。因此，在實際生產(chǎn)中，只有不斷改進并優(yōu)化鑄造工藝，才能提升產(chǎn)品質量，為企業(yè)帶來效益。

圖11鑄件現(xiàn)場生產(chǎn)照片

通過使用CAE輔助技術對新產(chǎn)品的工藝方案進行指導改進，縮短了工藝設計和現(xiàn)場生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)研發(fā)成本，極大地提高了鑄造經(jīng)濟效益，鑄件經(jīng)生產(chǎn)驗證合格，滿足顧客要求，實現(xiàn)了供應商和顧客雙贏的結果。

［1］丁超，李文偉，李晶，等.大型軸承底座鑄造工藝設計優(yōu)化［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2014（04）：70-75.

［2］馬敏團，郝偉.CAE分析技術在鑄造生產(chǎn)中的應用［G］//2005全國計算機輔助工程（CAE）技術與應用高級研討會論文集.北京：2005.

［3］李玉葉，馬林，馬輊福.鑄造CAE技術在軸承蓋類產(chǎn)品改進中的應用［J］.鑄造設備與工藝，2005（4）：25-26.

Application of CAE Technology in the Casting Process of Light Nodular Iron Casting with Oversized Variable Cross-section

YAO Hong-ru，ZHANG Long-jiang
（Kocel Machinery Limited Company，Yinchuan Ningxia 750021，China）

CAE technology，numerical simulation，casting defect，casting process

TG24

A

1674-6694（2017）02-0018-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.02.006

2017-03-13

姚紅汝（1990-），女，甘肅省白銀市人，現(xiàn)主要從事鑄造過程虛擬模擬工作。

Abtract：The use of CAE simulation software in the process design improvement of light nodular iron casting with oversized variable cross-section was introduced in the paper.The CAE technology can predict the defects，which is helpful to find the solution，optimize the casting technology and improve the quality of the products.