鑄造CAE技術(shù)在大型球鐵件中壓外缸產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張龍江，姚紅汝

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，鑄造過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟，為鑄造行業(yè)提供了一種新的工具和解決問題的途徑。應(yīng)用NX輔助技術(shù)設(shè)計(jì)中的MAGMA軟件版塊，模擬鑄件的充型、凝固和應(yīng)力場過程。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)鑄件的缺陷部位進(jìn)行預(yù)測，幫助工藝員優(yōu)化鑄造工藝，改進(jìn)工藝方案，從而達(dá)到縮短試制周期、提高鑄件質(zhì)量及降低成本的目的[1-3]。

1 鑄件介紹

中壓外缸鑄件如圖1所示，鑄件輪廓尺寸為5690mm×2750mm×2215mm，鑄件重量為34822 kg，最大壁厚350mm，最小壁厚60 mm，材質(zhì)為國標(biāo)QT400-18AR。無損檢測根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12680-3，要求法蘭面打孔位置、缸口打孔位置、臍子、軸承座加工槽子部位等加工面均不能有任何缺陷，其它部位UT 2級(jí)以上。該件初始設(shè)計(jì)采用呋喃樹脂自硬砂進(jìn)行生產(chǎn)，材料采用中頻電爐熔煉，主要配料為生鐵、廢鋼和機(jī)鐵。

圖1 鑄件圖

2 CAE輔助模擬分析

2.1 鑄件裸模

首先在進(jìn)行模擬預(yù)算之前要對(duì)鑄件整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，CAE軟件采用的是有限差分法進(jìn)行的網(wǎng)格劃分且自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分過程。網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確。雖然細(xì)化網(wǎng)格劃分有助于計(jì)算結(jié)果的精確性，但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長，所以對(duì)鑄件進(jìn)行劃分要掌握網(wǎng)格劃分的效果和數(shù)量兩個(gè)要點(diǎn)，劃分結(jié)果如圖2所示。

應(yīng)用CAE輔助模擬分析，對(duì)設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行凝固過程的模擬，圖3為鐵液液相凝固過程（其中，鑄件顏色深色部位為還未凝固的區(qū)域，淺色為已經(jīng)凝固的區(qū)域），從圖3可見，鑄件整體凝固順序較好，缸口部位、臍子、法蘭面、軸承座等厚大部位為最后凝固區(qū)域，此區(qū)域溫度較高，也是產(chǎn)生縮松傾向較大的部位[4，5]。

圖2 鑄件網(wǎng)格劃分圖

圖3 鑄件液相凝固過程圖

鑄件縮松結(jié)果如圖4所示，圖4是用X射線探傷檢測鑄件內(nèi)部縮松，當(dāng)Range=6%時(shí)的縮松缺陷模擬結(jié)果（其中深色代表鑄件存在縮松風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，淺色代表無縮松風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域），可見整體縮松情況較好，但是鑄件缸口部位、臍子、法蘭面、軸承座等關(guān)鍵部位縮松嚴(yán)重，需要繼續(xù)改進(jìn)。

圖4 鑄件裸?？s松圖

2.2 工藝方案初步改進(jìn)及結(jié)果

由于此鑄件壁厚較大，考慮到鑄件可以自膨脹來替補(bǔ)需要的鐵水，在頂部缸口增加一圈油瓶冒口（圖5），根據(jù)裸模模擬，依次判斷鑄件充型平穩(wěn)度、溫度場分布、關(guān)鍵斷位模數(shù)、熱節(jié)位置、凝固順序和縮松情況。分別在厚大部位擺放冷鐵，繼續(xù)進(jìn)行模擬。

圖5 直徑100mm油瓶冒口工藝方案

其中澆注系統(tǒng)直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道的截面面積分別為226cm2、936mm2、923cm2。直澆道采用?120mm的陶瓷管，內(nèi)澆道采用?70 mm的陶瓷管和鑄件搭接。

如圖6、7所示，模擬結(jié)果顯示，鑄件充型平穩(wěn)，內(nèi)澆口處流速低，型腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)逐層充滿（其中，鑄件顏色深色部位為鐵水已充滿的區(qū)域，淺色為鐵水還未充滿的區(qū)域），充型完成后溫度場分布合理（其中，鑄件顏色深色部位為溫度較低的區(qū)域，淺色為溫度較高區(qū)域），判定按照公司規(guī)范設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)合格。

圖6 鑄件充型流速過程

圖7 鑄件充型溫度場過程

模擬凝固過程中，液相凝固后期，油瓶冒口先凝固，缸口、厚大軸承座、法蘭面最后凝固，鐵水無法補(bǔ)縮到缸口，油瓶冒口根部出現(xiàn)縮松（圖8、圖9）。

圖8 鑄件液相凝固過程圖

圖9 鑄件縮松圖

此模擬結(jié)果不符合顧客要求，主要是因?yàn)橛推棵翱谀?shù)較小，補(bǔ)縮量不足，先于缸口凝固，無法補(bǔ)縮到鑄件，導(dǎo)致冒口根部有縮松，達(dá)不到預(yù)期效果，需要繼續(xù)模擬改進(jìn)。

2.3 缸口換發(fā)熱冒口工藝方案改進(jìn)及結(jié)果

此方案在以上方案的基礎(chǔ)上，將中壓外缸頂部冒口改為?400mm×600mm的發(fā)熱冒口（圖10），冒口頸尺寸為?60mm×35mm，鑄件及澆、冒口總質(zhì)量為41688kg，并分別在冒口分區(qū)的地方增加冷鐵，保證加工部位無縮松缺陷。

圖10 直徑400mm發(fā)熱冒口工藝方案

應(yīng)用CAE輔助模擬分析，對(duì)設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行充型和凝固的模擬，圖11為鐵液液相凝固過程（其中深色代表鑄件還未凝固的區(qū)域，淺色代表已經(jīng)凝固的區(qū)域），從圖11可見，冒口下方、法蘭面、軸承座為最后凝固區(qū)域，此區(qū)域溫度較高，也是縮松產(chǎn)生傾向較大的部位。同樣的，圖12是用X射線探傷檢測鑄件內(nèi)部縮松，當(dāng)Range=6%時(shí)的縮松缺陷模擬結(jié)果（其中深色代表鑄件縮松區(qū)域，淺色代表無縮松區(qū)域）。

圖11 鑄件加發(fā)熱冒口熱節(jié)圖

圖12 鑄件加發(fā)熱冒口縮松圖

由圖13、圖14可見，鑄件缸口上的冒口、法蘭面、軸承座的鐵水最后凝固，整體縮松結(jié)果較好，但是法蘭面吊把周圍縮松風(fēng)險(xiǎn)較大，且法蘭面正反兩面冷鐵太多，現(xiàn)場生產(chǎn)造成很大的不便，此方案需進(jìn)一步改進(jìn)。

2.4 加冒口、減冷鐵工藝方案改進(jìn)及結(jié)果

此工藝在以上方案的基礎(chǔ)上，在法蘭面四個(gè)爪子上增加四個(gè)?350×350mm的發(fā)熱保溫冒口，并且減少法蘭面正反面的冷鐵，鑄件及澆、冒口總質(zhì)量為42756kg，如圖15所示。

圖13 鑄件加發(fā)熱冒口液相凝固圖

圖14 鑄件加發(fā)熱冒口模數(shù)圖

圖15 最終改進(jìn)后工藝方案

圖16 鑄件加發(fā)熱冒口液相凝固圖

應(yīng)用CAE輔助模擬分析，對(duì)設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行充型和凝固的模擬，圖16為鐵液液相凝固過程（其中深色代表鑄件還未凝固的區(qū)域，淺色代表已經(jīng)凝固的區(qū)域），從圖可見，冒口下方為最后凝固區(qū)域，冒口補(bǔ)縮區(qū)域分區(qū)明顯。

鑄件縮松結(jié)果如圖17（其中深色代表鑄件縮松區(qū)域，淺色代表無縮松區(qū)域），是用X射線探傷檢測鑄件內(nèi)部縮松，當(dāng)Range=3%時(shí)的縮松缺陷模擬結(jié)果，由圖可見，關(guān)鍵區(qū)域無縮松，UT區(qū)域沒有縮松，缸口、厚大軸承座、法蘭面加工處均無縮松，縮松級(jí)別滿足顧客要求。

圖17 鑄件加發(fā)熱冒口縮松圖

3 生產(chǎn)結(jié)果

圖18 鑄件現(xiàn)場生產(chǎn)UT結(jié)果

按照改進(jìn)后的工藝進(jìn)行試生產(chǎn)，生產(chǎn)結(jié)果為UT區(qū)域無縮松，符合顧客要求（見圖18），此中壓外缸鑄件研發(fā)成功。

4 結(jié)束語

利用CAE技術(shù)輔助軟件對(duì)鑄件進(jìn)行流場的充型及凝固模擬，可以清晰看到鐵水在型腔中的沖型流動(dòng)過程及鐵液液相凝固過程，判斷鐵水充型是否平穩(wěn)，有無紊流飛濺等。也可以直觀的反映出鑄件的凝固順序，以及縮松、熱節(jié)、模數(shù)等，有利于工藝設(shè)計(jì)人員優(yōu)化工藝，改變冷鐵大小、形狀和冒口的位置、大小，從而消除這一部分的缺陷?？梢杂行У乜s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)競爭力，最終指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。