大型行星架鑄鋼件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李嘉倩 季德生 徐 超 龍秀慧

(濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東256600)

澆注系統(tǒng)是砂型中引導(dǎo)鋼液流入型腔的通道。在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，從而造成一系列的鑄造缺陷，嚴(yán)重的會致使鑄件直接報(bào)廢，因此澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與鑄件質(zhì)量有著緊密的關(guān)聯(lián)。

1 零件結(jié)構(gòu)介紹

行星架選用ZG35CrMo材料，基本輪廓大小為1260 mm×1260 mm×647 mm。其結(jié)構(gòu)整體對稱，壁厚較為均勻，壁厚最厚處為91 mm，壁厚最薄處為44 mm，體積為0.619 m3，零件重量為1330.491 kg，零件模型采用CATIA建立，零件模型如圖1所示。

圖1 行星架三維模型Figure 1 3D model of planetary frame

選擇鑄件澆注位置，應(yīng)結(jié)合鑄件的凝固方式，并確保鑄件完全充型。設(shè)計(jì)時，將鑄件下法蘭盤置于底部，保證鋼液在型內(nèi)上升平穩(wěn)，避免上法蘭盤表面及內(nèi)部產(chǎn)生鑄造缺陷。將鑄件正放，法蘭盤朝下，選用底注式方案，6個內(nèi)澆口設(shè)置在下法蘭盤，此外設(shè)置1個橫澆道和1個直澆道。

2 澆注系統(tǒng)各組元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZG35CrMo材料鑄造性能較差，凝固收縮率大，易產(chǎn)生縮孔等缺陷[1]。大型鑄鋼件澆注溫度高，鋼液流動性較差，不利于鑄件充型，所以需對模具、砂箱進(jìn)行預(yù)熱；鋼水易氧化，需加大澆注速度。澆包采用塞桿包，擋渣能力較強(qiáng)，在此方案中，不主要考慮擋渣問題[2]，選用底注式、開放式澆注系統(tǒng)，單包單孔澆注的方案，其注孔選擇直徑為60 mm。

∑Ah∶∑As∶∑Aru∶∑Ag

=1∶(1.8～2.0)∶(1.8～2.0)∶(2.0～2.2)

式中，Ah=28.3 cm2，∑Ah=28.3 cm2，查表1得，q=90 kg/s。

表1 不同漏孔直徑流量q平均值Table 1 Average flow q of different leakage diameter

2.1 澆注時間

t=GL/Nq

式中，q是平均澆注流量；GL是型內(nèi)鋼液重量，1897.431 kg；N是鋼包內(nèi)漏孔數(shù)量；t是澆注時間。

經(jīng)計(jì)算得到t=21.08 s，并且在充型能力充足的情況下，經(jīng)大量試驗(yàn)證明，本體澆注時間控制在30 s以內(nèi)，鑄件出現(xiàn)砂眼、氣孔缺陷的幾率非常小，大多數(shù)情況下不會出現(xiàn)砂眼、氣孔缺陷[3]。故選擇澆注時間t=21 s。

2.2 鋼水上升速度校核

v=C/t

式中，v是鋼液液面在型內(nèi)上升速度；C是鑄件在型腔內(nèi)的高度，545 mm；t是澆注時間。

表2 鋼液在型內(nèi)允許的最小上升速度Table 2 The minimum allowable rise rateof molten steel in the mold

圖2 橫澆道Figure 2 Runner圖3 內(nèi)澆道Figure 3 Ingate

圖4 方案一充型速度場與充型時間Figure 4 Filling velocity field and filling time for scheme 1

圖5 方案二充型速度場與充型時間Figure 5 Filling velocity field and filling time for scheme 2

經(jīng)計(jì)算得到v=25.95 mm/s，查表2得，最小上升速度v≥25 mm/s，故符合要求。

2.3 剩余壓頭校核

HM≥Ltanα(取α=7°，L=630 mm)

式中，HM是最小剩余壓頭；L是液態(tài)合金的流程；α是壓力角。

經(jīng)校核，剩余壓頭充足。

2.4 澆注系統(tǒng)各組元橫截面積的確定

直澆道：?95 mm；As=71 cm2，ΣAs=71 cm2。

橫澆道：截面形狀尺寸見圖2，Aru=70 cm2，ΣAru=70 cm2。

內(nèi)澆道：截面形狀尺寸見圖3，Ag=12 cm2，ΣAg=12×6=72 cm2。

最終各組元截面比為：

∑Ah∶∑As∶∑Aru∶∑Ag=1∶2.51∶2.47∶2.54

2.5 直澆道窩的設(shè)計(jì)

澆口窩直徑是直澆道下端直徑的1.4～2倍，高度為其2倍。本方案直澆道窩直徑為1.4D=133 mm，高度為2D=190 mm。

綜上所述，選擇澆注時間t=21 s，直澆道橫截面積∑As=71 cm2，橫澆道橫截面積∑Aru=70 cm2，內(nèi)澆道橫截面積∑Ag=72 cm2。

3 澆注系統(tǒng)各方案充型速度場分析

3.1 方案一

澆注系統(tǒng)方案一兩側(cè)對稱澆注，從圖4(e)的仿真結(jié)果得到，整個充型過程大概需要19.6 s，這與計(jì)算結(jié)果基本符合。從4(a)中看出靠近直澆道的內(nèi)澆道出現(xiàn)過渡區(qū)不足的情況，且4(b)、(c)、(d)呈現(xiàn)出該處鋼液流速較大，對砂芯的沖擊較大，可能會引起夾砂等缺陷。

3.2 方案二

方案二，從圖5(e)的仿真結(jié)果得到，整個充型過程需要19.7 s，這與計(jì)算結(jié)果基本符合。改變?yōu)閱蝹?cè)澆注后，相較于方案一充型過程更為平穩(wěn)。由于內(nèi)澆口正對砂芯以及內(nèi)澆道布置離直澆道較近，仍可能出現(xiàn)方案一的缺陷。

3.3 方案三

從圖6(e)的充型時間仿真結(jié)果得到，整個充型時間大概為21.1 s，這與計(jì)算結(jié)果基本符合。圖中顏色相同部分的填充時間相同，鑄件整體同種顏色呈現(xiàn)帶狀分布，說明采用底注式澆注系統(tǒng)，鋼液在型腔內(nèi)充型平穩(wěn)且逐層充型[4]。從圖中可以看出，在鑄件充型過程中，鋼液的流速約為0.426～0.850 m/s，金屬液相遇，沒有發(fā)生飛濺、

圖6 方案三充型速度場與充型時間Figure 6 Filling velocity field and filling time for scheme 3

圖7 澆注系統(tǒng)布置Figure 7 Gating system layout

卷氣等現(xiàn)象[5]，整體充型效果較好。

綜合三種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，最終選擇方案三，橫澆道單側(cè)布置，內(nèi)澆道單側(cè)切向布置。其三維模型如圖7所示。

4 結(jié)語

對澆注系統(tǒng)各組元結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定，并用Procast仿真模擬分析了三種澆注方案，經(jīng)過對比最終確定選用橫澆道單側(cè)布置，內(nèi)澆道單側(cè)切向布置，鋼液在型腔內(nèi)充型平穩(wěn)且逐層充型，金屬液相遇，沒有發(fā)生飛濺、卷氣等現(xiàn)象，整體充型效果較好。