基于CAE模擬柴油機飛輪鑄件分割設(shè)計相結(jié)合的鑄造工藝研究

李 磊 ，劉延坪，王 斌 ，嚴江波，趙小華 ，田 英

（1．陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713105 2．中船重工第12研究所，陜西興平 713105）

近年來，國內(nèi)各大鑄造企業(yè)廣泛采用數(shù)值分析模擬鑄件充型和凝固過程，不僅可提高企業(yè)生產(chǎn)效率，縮短調(diào)試生產(chǎn)周期，更能為獲得高質(zhì)量合格鑄件提供參考依據(jù)。朱勇等[1]利用數(shù)值模擬分析軟件對進氣管砂型鑄造工藝進行了分析，并結(jié)合結(jié)果給出了優(yōu)化及預(yù)防措施。

本研究以本單位生產(chǎn)的飛輪低沖球鐵鑄件為依托，以ProCAST[2，3]仿真軟件為工具，采用分割鑄件的設(shè)計思路進行鑄造工藝的設(shè)計。

1 鑄件結(jié)構(gòu)分析及鑄造工藝參數(shù)設(shè)計方案

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鑄件工藝設(shè)計分割示意圖

如圖1所示，鑄件材質(zhì)為QT450－12，最大輪廓尺寸R473mm。從圖中可分析：鑄件可分割為3個單元：外圈、內(nèi)圈和筋板，因筋板的壁厚尺寸較內(nèi)外圈薄，所以在工藝設(shè)計中可考慮為激冷筋，因此鑄件主要組成部分為外圈和內(nèi)圈兩個單元。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點分析采用底注式澆注系統(tǒng)，鑄件澆道各部分比例按照∑F直：∑F橫：∑F內(nèi)=4：8：3半封閉式設(shè)計[4]；根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點分割形式如圖2所示，被分割后的各部分鑄件采用冒口與冷鐵相配合的方式可實現(xiàn)順序凝固。

2 鑄件數(shù)值模擬分析

2.1 充型-流場分析

圖3是鑄件的充型示意圖。如圖3a所示,當充型率10%，充型時間1．2s時，在充型初期，直澆道和橫澆道快速被充滿，這種狀態(tài)下可避免外部氣體的侵入，防止產(chǎn)生氣體類缺陷，證明澆注系統(tǒng)比例設(shè)計合理；如圖3b所示,當充型率40%，充型時間4．3s時，鐵水均勻上升，經(jīng)計算鐵水液面上升流速≤0．46m/s，說明整個型腔鐵水充填過程平穩(wěn)，避免紊流等現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 凝固-溫度場分析

圖3 鑄件充型圖

圖4 鑄件凝固過程示意圖

圖5 鑄件縮松預(yù)測圖和解剖圖

如圖4所示，當鑄件的固相率為40%時，很清楚的看到凝固順序向冒口處集中，各單元凝固及補縮按順序進行；隨著固相率為80%時，鑄件已經(jīng)凝固到接近全固態(tài)，冒口處于最終凝固階段，實現(xiàn)了鑄件的順序凝固。

2.3 鑄件縮松預(yù)測及生產(chǎn)驗證

圖5中顯示了鑄件的模擬預(yù)測缺陷分布，從圖中可以看出：澆注系統(tǒng)及冒口與冷鐵的合理布置，使縮松缺陷最終集中到冒口與澆道中，鑄件本身得到了合理的補縮，鑄件的致密度達到了99%以上。按照上述工藝設(shè)計方案進行實際生產(chǎn)，并進行實物解剖驗證，如圖5所示，最終確定：本澆注工藝設(shè)計合理，參數(shù)設(shè)計準確，能夠獲得高質(zhì)量鑄件。

3 總結(jié)

運用ProCAST軟件分析鑄件的流場及溫度場，可快速預(yù)測工藝設(shè)計的合理性與準確性；通過合理的分割鑄件設(shè)計澆注工藝，采取各部分單元進行參數(shù)設(shè)計的思路可以得到致密度合格的鑄件，極大提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。