減速機殼體的鑄造工藝及CAE模擬分析*

李松杰，周正壽，孫祥廣

(江蘇恒立液壓股份有限公司常州鑄造分公司，江蘇常州213164)

減速機殼體的結(jié)構(gòu)如圖1所示，此零件為中大型質(zhì)量承載件，結(jié)構(gòu)外形比較簡單，主要由兩個大圓形法蘭，通過一圈圓形內(nèi)壁相貫連接，該結(jié)構(gòu)特點是本零件在鑄造工藝設(shè)計時的重點和難點。減速機殼體鑄件重80 kg，主體壁厚40 mm，材料牌號為QT500-7。

圖1 減速機殼體零件圖

通過MAGMA模擬軟件，我們可以初步了解鐵水在鑄型里的填充和凝固過程。判斷整個充型過程的填充速度和是否存在紊流現(xiàn)象，并提出改善，得到最優(yōu)化的鑄造工藝方案[1-5]。通過MAGMA軟件模擬后可以減少由于多次試制產(chǎn)生的經(jīng)濟成本，可通過模擬軟件不斷優(yōu)化改善，提高產(chǎn)品開發(fā)速度[6]。本文通過MAGMA軟件，模擬減速機殼體鑄件設(shè)計過程，然后分析整個模擬過程。

1 鑄造工藝分析及設(shè)計

減速機鑄件壁厚較厚但均勻性較好，初步分析熱節(jié)位于鑄件兩個法蘭部位。通過MAGMA初步模擬分析證實出鑄件的主要熱節(jié)在上下兩個法蘭上。該鑄件年需求量較大，通過對鑄件材料、尺寸、精度及技術(shù)要求等綜合分析，決定采用金屬模。金屬模造型差異較小，工藝穩(wěn)定。

圖2 減速機殼體零件的熱節(jié)

考慮到鑄件的熱節(jié)分布(圖2)，為了保證鑄件沒有縮松、縮孔等鑄造缺陷，需要采用內(nèi)置冒口置于上部熱節(jié)處，由于底部熱節(jié)距離冒口較遠(yuǎn)，需要采用增加冷鐵的方式來增加冒口的補縮距離。綜合考慮鑄件的結(jié)構(gòu)特點，殼體的上下兩表面均為加工表面，為了便于造型的起模，砂芯的放置，澆注位置選擇大平面在下，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點分析，為了減少砂芯的數(shù)目，可以將砂芯的制作分為兩部分，一部分用于形成減速機殼體的內(nèi)腔，一部分用于形成殼體連接臂的空腔。砂芯形狀設(shè)計圖如圖3。

圖3 減速機殼體零件的砂芯設(shè)計

選擇開放式澆注系統(tǒng)，可以使得整個澆注過程比較平穩(wěn)，可以通過澆注系統(tǒng)和過濾片進(jìn)行擋渣。澆注中，澆注系統(tǒng)能充滿，具有一定的擋渣能力；充型的平穩(wěn)性及對型腔的沖刷力都優(yōu)于封閉式，適合于各類球鑄鐵件。具體的工藝圖如圖4。

圖4 減速體殼體工藝圖

2 鑄造工藝模擬分析

MAGMA模擬主要參數(shù)設(shè)置：金屬液澆注溫度為1410 ℃；潮模砂初始溫度為30 ℃；澆注時間約為22 s；重力澆注，重力加速度9.8 m/s2，澆注完成后在砂箱中進(jìn)行緩慢冷卻。

2.1 充型過程模擬

首先通過三維軟件繪制出工藝圖，轉(zhuǎn)為STL格式后導(dǎo)入模擬軟件系統(tǒng)。首先，劃分網(wǎng)格后，設(shè)計相關(guān)仿真實驗參數(shù)，最后進(jìn)行整個澆注過程。通過模擬可以看到鐵水在減速機殼體鑄造型腔內(nèi)的流動軌跡、流動速度。通過速度和軌跡即澆注是否平穩(wěn)來分析出此澆注系統(tǒng)是否符合實際生產(chǎn)要求。具體數(shù)據(jù)如圖5。

通過圖5整個充型過程可以看出，內(nèi)澆口處進(jìn)鐵水速度平穩(wěn)，且整個澆口沖滿，沒有多余型腔氣體進(jìn)入，鑄件質(zhì)量得到保證，整個澆注過程金屬液面在兩個型腔內(nèi)同時平穩(wěn)上升。

圖5 鑄造工藝充型過程模擬結(jié)果

2.2 凝固過程模擬

凝固是鐵水充型完畢后，鐵水開始降溫、收縮的過程。通過模擬可見，鐵水在整個鑄造型腔內(nèi)的凝固順序，同時預(yù)測在凝固過程中產(chǎn)生的縮孔、縮松的位置和大小，鑄件的熱節(jié)，球數(shù)分布，基體分布等重要信息，為改進(jìn)工藝、判斷工藝的可行性提供科學(xué)的依據(jù)。圖6描述的是殼體鑄件最后凝固模擬的縮孔縮松。

從最后凝固模擬結(jié)果可以看出，鑄件整體凝固較好，并從縮松的模擬結(jié)果來看，鑄件不會產(chǎn)生縮孔，縮松情況詳見圖7。

3 結(jié)束語

通過MAGMA模擬得出減速機殼體初步鑄造工藝，需采用雙砂芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并增加冒口和冷鐵進(jìn)行補縮，最后，利用MAGMA軟件對充型和凝固過程進(jìn)行模擬和分析。

圖6 凝固過程模擬

圖7 縮松模擬