機床工作臺鑄造工藝設計及鑄造過程數值模擬

李 巖，何家寧，李勁松，王夢源，畢厚煌

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

機床工作臺鑄造工藝設計及鑄造過程數值模擬

李 巖，何家寧，李勁松，王夢源，畢厚煌

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

工作臺是機床的重要部件，其鑄造質量要求較高，不能有氣孔和縮松等鑄造缺陷。通過結構分析，對機床工作臺進行了階梯式半封閉澆鑄系統鑄造工藝設計，根據阻流截面積的水力公式計算出了澆注系統直澆道、橫澆道和內澆道的截面面積。應用Pro/E 5.0三維造型軟件，建立了鑄件、澆注系統和砂型的三維模型，并進行了裝配。針對機床工作臺鑄造工藝，應用ProCast仿真軟件，對其鑄造充型過程和凝固過程進行了有限元數值模擬，主要進行了流場和溫度場的分析。從充型流場模擬可以看出，該鑄造工藝方案在充型階段金屬液流動基本平穩，無沖砂現象發生；從溫度場模擬可以看出基本符合均衡凝固的原則。設計和模擬研究為進一步優化機床工作臺工藝提供了參考。

機床工作臺；鑄造；工藝設計；模擬仿真

機床是工業之母，機床的性能對每一個制造零件質量都起到至關重要的作用，故機床本身的制造質量的控制更是重中之重。由于機床工作臺要承受來自被加工零件壓力、刀具工作切削力和裝夾具夾緊力的作用，所以對工作臺的制造提出了較高的要求。近年來，隨著數值計算技術和計算機技術的發展，鑄造工程中越來越多地使用CAE分析軟件進行工藝設計、改進和研究[1-2]，極大地提高了設計效率，降低了生產成本。本文針對機床工作臺鑄造生產進行工藝設計，并對該工藝進行數值模擬仿真研究。

1 鑄件結構分析

本文研究的機床工作臺零件的基本結構主要是由帶有T型槽的平板和1組帶筋板的盤形結構兩部分組成，其零件圖如圖1所示。工作臺鑄件質量要求嚴格，鑄件不得有氣孔、砂眼、疏松和裂紋等明顯的鑄造缺陷。在鑄件鑄造完畢后要進行時效處理。

該鑄件材料牌號為我國國標牌號QT600—3，外形尺寸為1 000 mm×900 mm×185 mm，主體壁厚為20～90 mm，質量約為640 kg，采用成批生產方式。

圖1 機床工作臺零件三維模型圖

2 鑄造工藝設計[3]

2.1 鑄造工藝方案

基于鑄件材料、尺寸精度、技術要求、生產條件和成本等綜合考慮，利用沖天爐進行熔煉孕育球化處理達到QT600—3標準,砂型材料為自硬樹脂砂，采用手工兩箱造型。為了避免T型導軌所在平面出現鑄造縮松、砂眼等鑄造缺陷，應使較大平面朝下，分型面在零件最大截面處，使整個鑄件處于上箱，鑄件澆鑄位置和分型方案如圖2所示。

圖2 鑄件澆鑄位置和分型面方案

2.2 鑄造工藝參數選擇[4]

1)尺寸公差。查閱鑄件的尺寸公差數值表(GB/T 6414—1999)，基本尺寸為630～1 000 mm，鑄件公差等級CT12的尺寸公差為11 mm。

2)機械加工余量。根據RAM表得知，自硬型余量等級球墨鑄鐵的加工余量為F級，取鑄件機械加工余量為3.5 mm。

3)鑄造收縮率。鑄型種類和緊實度對鑄造收縮率也有影響，根據已往經驗取值。

式中，K是鑄造收縮率；LM是模樣尺寸；LJ是鑄件尺寸。

4)起模斜度。以分型面為基準，上箱中測量面高度h1=70 mm，取起模斜度α1=0°50′，下箱中測量面高度h2=105 mm，取起模斜度α2=0°40′。

5)最小鑄出孔和槽。在平板上表面環形深3 mm、寬10 mm的槽，下面7個T型槽，側面2-M24螺紋孔以及背面6-M6螺紋孔均不鑄出。在盤型結構環形槽上，正面3個環面上32-M12螺紋孔和4-φ2 mm孔均不鑄出。所有不鑄出的孔和槽均采用機械加工制造。

2.3 鑄件澆注系統設計

澆注系統類型選用階梯式半封閉澆鑄系統，取A直∶A橫∶A內=1.2∶1.4∶1(A直、A橫和A內分別是直澆道、橫澆道和內澆道截面面積)。阻流截面在內澆道上，橫澆道截面面積為最大。鑄件澆鑄系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 鑄件澆注系統結構示意圖

澆注系統結構采用垂直于分型面的圓柱形直澆道，澆注系統在盤型特征和平板特征水平面上分別設置2條橫澆道，平板特征的2條橫澆道在兩側，盤型特征的2條橫澆道與平板特征的2條橫澆道在空間垂直方向平行。在盤型特征每個橫澆道上設置1個內澆道，在平板特征每個橫澆道上設置2個內澆道，方向與鐵水流動的逆方向傾斜。盤型特征上橫澆道上面與鑄件上面相平齊，平板特征上橫澆道下面與鑄件下面相平齊。橫澆道和內澆道均為扁平梯形。

2.4 鑄件澆注系統尺寸的計算

阻流截面積∑A阻的水力公式為：

式中，GL是流經阻流的金屬總質量，球墨鑄鐵件一般工藝出品率為70%，則GL=鑄件質量/工藝出品率= 635.7/70% = 908.1 (kg)；ρ是金屬液密度，球墨鑄鐵取7.3 g/cm3；g是重力加速度，取9.8 m/s2；t是充填型腔的總時間，取19 s；μ是流量系數，μ=0.41；Hp是平均計算壓力頭，Hp=35 cm。

計算得：

∑A內=∑A阻≈62 (cm2)

每一個內澆道的截面積A內=62/6≈11 (cm2)，每一個橫澆道的截面積A橫=86.8/2≈44 (cm2)，直澆道的截面積A直=1.2×62≈74 (cm2)

對于這種球墨鑄鐵大型板狀鑄件，應盡量使石墨體積膨脹而產生自身補縮作用，避免產生縮孔、縮松缺陷，實現球墨鑄鐵件的無冒口鑄造。

3 鑄造過程數值模擬[5]

3.1 建立三維模型及網格劃分

應用三維建模軟件Pro/E 5.0建立鑄件、澆鑄系統和砂型的三維實體模型，然后進行裝配，輸出IGS格式文件。應用ProCast軟件中的VE打開IGS格式文件，先劃分出面網格，再劃分出體網格(見圖4)，然后輸出.mesh格式的體網格文件，供老版本的ProCast軟件做前處理。

圖4 劃分體網格

3.2 前處理

進入ProCast軟件的PreCAST模塊中，打開.mesh文件。鑄件材料設置為QT600—3,砂型材料設置為自硬樹脂砂。鑄件和砂型間表面傳熱系數h=500 W/(m2·K)，空冷。澆鑄溫度為1 350 ℃，砂型初始溫度為20 ℃。重力加速度為9.8 m/s2。

3.3 運行計算及顯示結果

在ProCast軟件中的“DataCast”運行計算，然后在“Visual-view”中查看結果。鑄件充型過程金屬液流動模擬如圖5所示，在充型過程中金屬液流動整體基本比較平穩，無沖砂現象。

圖5 鑄件充型過程模擬

凝固順序如圖6所示，在整個凝固過程中基本是由內至外的均衡凝固，但在內澆道附近鑄件形成熱節，可調整澆道布局，使整個鑄件凝固均衡。

圖6 凝固順序

4 結語

通過對機床工作臺鑄造工藝的設計和模擬仿真可以看出，階梯式半封閉澆鑄具有一定擋渣能力，對型腔沖刷力小，充型平穩。與鐵水流動的逆方向傾斜的內澆道設計對金屬液流動具有緩沖作用。機床工作臺鑄件滿足均衡凝固，對進一步優化澆注系統提供了依據。

[1] 趙富，趙銀虎，劉斌，等.ProCAST仿真技術在鑄鋼件缺陷預測上的探討與應用[J].新技術新工藝，2010(11)：103-105.

[2] 朱昌盛，安國升，王智平，等.鑄造CAD/CAE系統研究及應用[J].新技術新工藝，2009(8)：76-78.

[3] 李弘英，趙成志.鑄造工藝設計[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4] 馮淑花，劉振一，劉增良，等.厚大平板類球墨鑄鐵件鑄造工藝設計及優化[J].鑄造，2014(11)：510-511.

[5] 李日.鑄造工藝仿真[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

責任編輯鄭練

DesignandNumericalSimulationofCastingProcessforPlaten

LI Yan, HE Jianing, LI Jinsong, WANG Mengyuan, BI Houhuang

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Platen is one of the important part of machine tool. Its requirement of the casting quality is higher, and it should not have pores, shrinkage and other casting defects. By analyzing the structure of the machine platen casting, designed semi-closed gating system of casting process on it. According to the hydraulic formula of cross section area of flow, calculate the area of the gating system of sprue and runner and ingate. Build models of casting, gating system and sand mold, then assemble them by Pro/E 5.0 software, which is a three dimension molding software. The filling process and solidification process of the platen is numerically simulated by the computer FEA software ProCast. Mainly carry on the analysis of flow field and temperature field. The filling flow field simulation shows that the casting process in the liquid metal filling stage of the basic flow smoothly, and no sand washing phenomenon occurrs. The temperature field simulation shows proportional solidification principle. The design and simulation study provides reference to further optimize the machine table process.

platen, casting process, process design, numerical simulation

TG 24

:A

李巖(1990-)，男，碩士研究生，主要從事機械設計及理論等方面的研究。

何家寧

2015-06-05