基于數(shù)值模擬的某皮帶輪缺陷分析

吳開霞，唐鑫鑫，張少鵬

（1.四川大學(xué)錦城學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 611731；2.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司成都分公司，四川成都 610100）

現(xiàn)今國內(nèi)外對(duì)皮帶輪的應(yīng)用范圍從以前簡(jiǎn)單的汽車輪胎發(fā)展到如今所有的傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域已從制造行業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)延伸至各行各業(yè)［1］。根據(jù)德國制造行業(yè)2013年做出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：皮帶輪產(chǎn)品現(xiàn)已分布190多個(gè)國家及地區(qū)，產(chǎn)品使用范圍基本實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，表明皮帶輪對(duì)整個(gè)社會(huì)的影響正在日益加深［2-4］。因此，在皮帶輪實(shí)際生產(chǎn)過程中引入數(shù)值模擬技術(shù)來指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)、提高成品率有很好的指導(dǎo)作用［5］。

鑄造過程數(shù)值模擬是液態(tài)金屬充型過程、凝固過程以及溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化可視化，從而引導(dǎo)工程技術(shù)人員掌控實(shí)際鑄件的生產(chǎn)，能夠幫助工程技術(shù)人員在鑄造工藝設(shè)計(jì)階段，對(duì)鑄件可能會(huì)產(chǎn)生的缺陷名稱、大小、位置進(jìn)行有效地預(yù)測(cè)，進(jìn)而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)［6-9］。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬輔助完成鑄造工藝優(yōu)化過程可以起到縮短產(chǎn)品試制周期、降低生產(chǎn)成本、提高鑄造生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益的作用［10］。

本文研究的皮帶輪深槽兩側(cè)較薄，而心部壁厚較大，鑄造難度較大。皮帶輪澆注冷卻后，在皮帶輪鑄件的槽底處始終會(huì)出現(xiàn)氣孔等缺陷，其缺陷位置的示意圖如圖1所示。本文針對(duì)現(xiàn)有皮帶輪出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬凝固技術(shù)對(duì)鑄件充型、凝固過程以及缺陷進(jìn)行模擬，分析研究試制過程中所使用的鑄造工藝是否會(huì)導(dǎo)致鑄件冷卻過程中出現(xiàn)鑄造缺陷，分析生產(chǎn)過程中產(chǎn)生缺陷的原因，為皮帶輪系列產(chǎn)品的鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)及缺陷分析提供一定的指導(dǎo)作用。

圖1 皮帶輪缺陷位置圖Fig.1 The defect location of pulley.

1 工藝方案

本文研究的皮帶輪鑄件材質(zhì)為HT250，皮帶輪毛坯重量約為35kg，毛坯外觀直徑為297.6mm，高度為102.5mm，輪廓處槽深度為23mm，內(nèi)孔直徑為101mm。鑄造工藝中選用粘土砂砂型鑄造，粘土砂水分含量約為6%～7%，砂型采用手工造型，一箱一件。皮帶輪采用頂注式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口開設(shè)在皮帶輪上表面，即上下砂模分型面處；澆注溫度為1380℃，澆注時(shí)間20s。整個(gè)工藝采用ProE建模，如圖2所示。并采用鑄造數(shù)值模擬軟件進(jìn)行仿真分析。

圖2 鑄件鑄造工藝三維建模圖Fig.2 The 3-D module of casting process

2 充型與凝固過程數(shù)值模擬

2.1 鑄件充型過程模擬

圖3的（a）、（b）、（c）、（d）分別是充型時(shí)間為1s、5s、15s和20s時(shí)的鐵液充型溫度分布，右邊的色標(biāo)對(duì)應(yīng)不同時(shí)間鐵液充型過程中的溫度。

開始澆注后，鐵液在重力作用下從澆口進(jìn)入直澆道，由于采用頂注式澆注系統(tǒng)，液體進(jìn)入型腔后從高處落下，對(duì)鑄型沖擊大，容易導(dǎo)致飛濺、氧化和卷氣；從圖2（d）可以看出，充型結(jié)束后，在鑄件型壁的溫度較低，充型時(shí)間為20s，充型時(shí)間較長。在充型過程中存在著充型不連續(xù)的現(xiàn)象，容易卷入氣體，形成氣孔缺陷。

圖3 鑄件充型過程Fig.3 Filling time distribution

2.2 鑄件凝固過程模擬

鑄件凝固的總時(shí)間大約在20s左右。圖3的（a）～（d）分別是凝固時(shí)間為22s、9min47s、17min31s、26min5s時(shí)鑄件的溫度分布圖。從圖3可以看出，由于鑄件與型壁接觸的部位換熱系數(shù)較大，型壁溫度降低較快。在充型完成后，由于鑄件中間壁厚較厚，而皮帶輪槽附近較薄，所以凝固順序是從外部向內(nèi)部逐層凝固，中間部位為最后凝固區(qū)域，而此時(shí)冒口已失去補(bǔ)縮作用，因此皮帶輪中部容易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。

3 模擬結(jié)果缺陷分析

圖4 凝固過程Fig.4 The solidification process

鑄造仿真使用軟件有四大判據(jù)可以對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行全面分析，F(xiàn)stime判據(jù)、Hotspot判據(jù)、Niyama判據(jù)和Porosity判據(jù)。圖5為分別使用四大判據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5（a）為Fstime判據(jù)所示結(jié)果，由圖可見，鑄件中心區(qū)域?yàn)樽詈竽虆^(qū)域，此區(qū)域由于缺少冒口的補(bǔ)縮，容易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。圖5（b）是熱節(jié)分析判據(jù)所示模擬結(jié)果，圖中的有色區(qū)域表示所需凝固時(shí)間較長，為殘留金屬液的聚集區(qū)，即熱節(jié)的產(chǎn)生部位，因此凝固時(shí)可能產(chǎn)生縮孔縮松。由此可見，皮帶輪中部為熱節(jié)部位，若不采取相應(yīng)措施，極易產(chǎn)生凝固缺陷。圖5（c）是Niyama判據(jù)所示結(jié)果，它表示鑄件各部位的補(bǔ)縮能力。由Niyama判據(jù)可知，在鑄件表面不會(huì)出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。圖5（d）為Porosity縮孔縮松判據(jù)所示模擬結(jié)果。根據(jù)該判據(jù)可見，在皮帶輪槽根部和槽表面均沒有縮孔縮松缺陷存在，而在其中部卻存在縮孔縮松缺陷。皮帶輪中部位置為最后凝固的區(qū)域，金屬液在該區(qū)域形成了孤立液相區(qū)，由于灰鑄鐵石墨化膨脹能力較弱，不能完全消除金屬液冷卻所帶來的收縮，最終在皮帶輪中部位形成收縮缺陷。

圖5 缺陷分析Fig.5 Defect analysis

圖6為澆注完成時(shí)鑄件中裹氣的分布情況，在鑄件表面上存在色差的部位即是存在裹氣的位置，裹氣的含量與相應(yīng)右邊標(biāo)尺上的顏色對(duì)應(yīng)。從圖中可以看出，在鑄件表面存在很多裹氣，如果不能及時(shí)排出去，就容易造成氣孔缺陷。

圖7為鑄件的冷卻速率圖。從圖7中可以看出，在裹氣傾向較大的位置同時(shí)存在著較大的冷卻速率，而較快的冷卻速度導(dǎo)致液態(tài)金屬很快凝固，從而封堵了氣體的逸出路徑，致使裹入的氣體無法排出，就會(huì)滯留在皮帶輪鑄件槽底的周圍，從而形成氣孔缺陷。模擬研究表明，模擬分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況十分吻合。

圖6 鑄件氣體分布圖Fig.6 Casting gas distribution

圖7 鑄件冷卻速率圖Fig.7 The cooling rate of casting

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)有的鑄造工藝不會(huì)在皮帶輪槽根部和槽表面形成縮孔縮松缺陷，但會(huì)在皮帶輪中部的厚大區(qū)域形成縮孔縮松。

（2）型砂中的水分含量較大且透氣性不夠，高溫澆注過程中產(chǎn)生大量的氣體被卷入金屬液中形成裹氣，裹氣傾向較大的位置由于冷卻速率較快導(dǎo)致液態(tài)金屬很快凝固，致使氣體無法逸出，就會(huì)滯留在皮帶輪鑄件槽底的周圍形成氣孔缺陷。

（3）數(shù)值模擬技術(shù)為鑄造支撐輥皮帶輪的缺陷分析提供了重要的理論依據(jù)，通過分析皮帶輪模流分析過程，模擬缺陷與實(shí)際生產(chǎn)相符合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，為工藝優(yōu)化提供了依據(jù)。

（4）針對(duì)現(xiàn)有鑄造工藝出現(xiàn)的問題，可增加內(nèi)澆口的截面積來解決液態(tài)金屬澆注不連續(xù)的現(xiàn)象；在鑄件表面氣體裹挾的部位設(shè)置排氣孔，及時(shí)排出型腔氣體，防止氣孔產(chǎn)生；更改冒口設(shè)計(jì)，提高冒口的補(bǔ)縮能力。