大鏈輪鑄鋼件的鑄造工藝優化

2016-04-12 06:41:18安成成王定軍王愛江蘭石鑄鍛有限責任公司甘肅蘭州730050

甘肅科技 2016年3期

安成成，王定軍，王愛江（蘭石鑄鍛有限責任公司，甘肅蘭州730050）

大鏈輪鑄鋼件的鑄造工藝優化

安成成，王定軍，王愛江
（蘭石鑄鍛有限責任公司，甘肅蘭州730050）

摘要：運用華鑄CAE模擬技術對大鏈輪鑄鋼件的鑄造工藝的凝固過程進行了模擬,分析了縮松、縮孔等缺陷形成的原因。在此基礎上,通過華鑄CAE模擬技術不斷調整補貼、冒口、澆注系統的尺寸和結構,并進行凝固模擬,最終獲得了合適的工藝。結果表明：應用CAE模擬技術可有效地預測鑄造充型凝固過程中可能出現的縮孔、縮松缺陷,并能輔助優化鑄造工藝，保證鑄件質量，提高工藝出品率，節約大量實驗成本。

關鍵詞：大鏈輪；華鑄CAE軟件；鑄造工藝；數值模擬

鑄造是現代機械制造工業的基礎工藝之一，廣泛應用于國民經濟發展的各個工業部門，在各個行業中占有重要地位，是一個國家的生產實力的標志。但是鑄件形成過程中產生的某些宏觀缺陷，如偏析、縮孔、縮松、裂紋等都嚴重影響鑄件的質量，即使經過塑性加工也不能完全消除它們對鑄件的影響，后期對缺陷進行的焊補修復又消耗大量的人力、物力，增加了鑄件成本。而盲目地更改工藝，成本高且效率低。因此，運用華鑄CAE模擬技術研究鑄件形成過程對獲得高質量鑄件具有十分重要的意義。鑄件的凝固過程是一個復雜的高溫、動態、瞬時的變化過程，通過計算機模擬技術可以在生產前預測缺陷產生的位置、大小，并進行工藝優化，既保證了產品質量又降低了生產成本，提高了企業效益。

1　原工藝方案介紹

本文以大鏈輪鑄鋼件為研究對象，鑄件的輪廓尺寸為φ686mm×425mm，質量約為410kg，材質為ZG310-570。要求鑄件不得有氣孔、裂紋、砂眼、縮孔、縮松等影響強度的缺陷。

1.1冒口設置

1.1.1模數法

冒口大小及位置設置采用模數法計算，熱節圖如圖1所示：

熱節1模數：

計算模數：M=d×b/2(d+b)=101×257/2(101+257)= 3.6cm

設計φ200mm×400mm×300mm砂型暗冒口3個均布，冒口模數/鑄件模數=4.85/3.6=1.35，計算證明該冒口的補縮能力足夠。

冒口的補縮距離計算：L=3（400+4×101）＞2π× 305，可見該冒口的補縮距離足夠。

圖1　鑄件熱節圖

熱節2模數：

M=d×b/2(d+b)=118×272/2(118+272)=4.1cm

選φ470mm+15mm半球冒口，冒口模數/鑄件模數=5.5/4.1=1.34，計算證明該冒口的補縮能力足夠。

1.1.2補縮液量法

鑄件應補縮液量與冒口可補縮液量關系如下：

W鑄×5%=W冒×12%

熱節1部位冒口液量為140Kg，根據上式計算得熱節1部位可補縮液量為336Kg，實際熱節1部位補縮液量為185Kg，可見所設計砂型冒口補縮能力足夠。

熱節2部位冒口液量為230Kg，根據上式計算得熱節2部位可補縮液量為552Kg，實際熱節2部位補縮液量為222Kg，可見所設計半球冒口補縮能力足夠。

1.2澆注系統設置

采用底返式澆注系統，漏包澆注。鑄鋼件鑄造性能差，流動性差，鋼液分2路同時引入型腔，各組元截面面積比例一般為：

ΣF包∶ΣF直∶ΣF內=1∶(1.7～2.0)∶2.0

根據鋼包包孔直徑Φ60mm，通過計算澆注系統各部分設計大小如下：

F直=Φ80mm,F內=Φ60mm（2個）

1.3其他工藝參數設置

1）澆注溫度為1520℃，鑄造收縮率取2%；

2）選用呋喃樹脂自硬砂造型；

3）澆注時鑄件水平放置，鑄件大部分位于下箱；

該方案工藝設計計算通過工藝評審，認為完全合理，但在實際生產過程中發現該鑄件出現批量性縮孔、縮松等缺陷，從工藝設計方面沒有可行的改進辦法。面對這一問題，借助CAE軟件對鑄件進行凝固模擬分析，希望能改進鑄件質量，解決該產品因缺陷導致后期需要大量焊補，消耗人力、物力，增加的鑄件成本的問題。

2　工藝改進

2.1原工藝模擬

用三維繪圖軟件繪出鑄件的實體模型，轉化為STL格式文件，導入CAE軟件，對其進行網格剖分和參數設置。鑄件均勻網格大小為5mm，網格數8836506。鑄件凝固過程如圖2所示。模擬結果與實際問題相符，缺陷位置如圖3所示。

圖2　原工藝凝固過程

圖3　原工藝缺陷分布

原因分析：

從凝固過程可以看出，t=1500s時，鑄件輪齒部位和澆注系統最先開始冷卻、凝固；t=2500s時，凝固過程進一步進行，并向上擴展，冒口對鑄件進行補縮；t=3500s時，凝固過程延伸到了冒口底部和鑄件接觸的區域；t=5000s時，鑄件補縮通道逐漸斷開，出現孤立液相區，由于這些孤立液相區得不到補縮，凝固的后期必然會出現縮孔、縮松缺陷。t=5300s時，鑄件完全凝固。

模擬結果顯示半球冒口的補縮能力不足，補縮通道過早的阻斷，而腰形冒口似乎沒有起到補縮作用。

在實際生產過程中，鑄件主要在半球形冒口根部以及鑄件圓周與筋板的交接處產生了大量縮孔、縮松缺陷，腰形冒口下有少量縮孔分布，與模擬結果預測的缺陷位置一致。

2.2第一種工藝改進方案

根據原工藝方案的模擬結果，改進的要點是消除鑄件中的孤立液相區和鑄件上表面的縮松區，為此增加中間半球冒口的高度，適當降低3個腰形冒口的高度，其他參數不變。改進方案1模擬結果如圖4所示：

圖4　改進方案1缺陷分布

可以看出，半球冒口起到了圓滿補縮的作用，但是輪緣與筋板交接處的熱節仍沒有完全消除，凝固后期出現了縮松缺陷。模擬結果進一步證實了3個腰形冒口沒有起到補縮作用，凝固成了實體。

2.3第二種工藝改進方案及模擬結果

根據上述兩種方案的模擬結果，在產生缺陷的兩筋板之間增加補貼，去掉3個腰形冒口，適當增加中間半球冒口的高度，其他工藝參數不變。

對改進方案2進行凝固模擬，其凝固過程如圖5所示。其中深色顯示的部位表示鋼液仍處于液態或半液態，沒有完全凝固，淺色區域表示已經完全凝固。可以看出在凝固時間t=1500 s時，澆注系統和鑄件底部最先開始凝固；凝固依次向上擴展，隨著凝固過程的進行，t=6200s時，此時處于凝固的最后階段，鑄件已經完全凝固，冒口內殘留一定高度的金屬液體，冒口最后凝固。