側(cè)架鑄造工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

劉艷明, 勾靖國，張安義

(山西大同大學(xué)，山西大同 037003)

側(cè)架鑄造工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

劉艷明, 勾靖國，張安義

(山西大同大學(xué)，山西大同 037003)

側(cè)架的內(nèi)部型腔連接筋較多，經(jīng)常由于對接不良而導(dǎo)致錯位。通過對側(cè)架零件進(jìn)行分析，利用CASTSOFT軟件對側(cè)架進(jìn)行網(wǎng)格剖分及模擬計算，預(yù)測出六個大熱節(jié)和四個分散小熱節(jié)，并計算出各自凝固時間、預(yù)測出缺陷位置，在此基礎(chǔ)上對鑄件進(jìn)行工藝設(shè)計，設(shè)計了冒口、冷鐵和澆注系統(tǒng)，最大程度降低了缺陷，最終得到合理的鑄造工藝，從而對側(cè)架的生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)支撐，降低了實驗耗費，是一種科學(xué)可靠的鑄造工藝優(yōu)化技術(shù)。

熱節(jié)；缺陷；鑄件；工藝設(shè)計

側(cè)架的內(nèi)腔連接筋較多，生產(chǎn)制造時容易受人為影響，常常因為對接不良而產(chǎn)生錯位[1]。鑄造工藝過程比較復(fù)雜，易于顯現(xiàn)出來缺陷，利用微機模擬仿真，便可在熔煉澆注前對可能出現(xiàn)的缺陷位置和凝固持續(xù)時間進(jìn)行計算，以便設(shè)計出最合適的工藝，以保證鑄件的生產(chǎn)品質(zhì)，縮短試驗時間，為生產(chǎn)提供理論依據(jù)[2]。

1 模擬計算前處理

1.1 鑄件分析

鑄件外型尺寸為長2 199.64 mm，寬565.3 mm，高 419.8 mm；體積為3.963×107 mm3,毛坯質(zhì)量為381 kg。平均壁厚為25 mm，內(nèi)腔連接筋較多，材質(zhì)為B級鋼，多用于鐵路機車車輛上，其凝固方式為中間凝固，實驗性能不好，液相溫度高，易形成集中縮孔熱裂等鑄造缺陷。此零件是對稱的，為了加快仿真時間，模擬運算時，只取零件的一半。計算網(wǎng)格數(shù)目166萬。

1.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

邊界條件以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置準(zhǔn)確與否，直接影響金屬液體和鑄型等的換熱，會導(dǎo)致熱節(jié)計算、凝固進(jìn)程以及缺陷預(yù)測偏差很大，經(jīng)過多次試驗、模擬，進(jìn)行如下設(shè)置。凝固過程在液態(tài)金屬未完全充滿型腔時已經(jīng)開始，對于快澆大中件的砂型鑄造，t凝＞＞t澆，充型時間很短暫，不考慮充型對初始條件的影響，結(jié)果計算誤差不大，由于側(cè)架尺寸比較大，充型速度大，砂型的起始溫度設(shè)定為室溫（即20 ℃），鑄件初始溫度稍低于澆注溫度為1 580 ℃。設(shè)鑄件與砂型之間的換熱系數(shù)為1 100 W/m2, 砂型表面與大氣之間的換熱系數(shù)為500 W/m2。

2 裸件凝固模擬及制定工藝

2.1 凝固進(jìn)程模擬及確定熱節(jié)

邊界條件設(shè)置好之后，進(jìn)行無澆注系統(tǒng)和無冒口的裸件凝固計算。通過凝固計算預(yù)測出側(cè)架各個部位的凝固時間，確定熱節(jié)部位及預(yù)測各熱節(jié)的凝固時間。從而使得鑄件的澆冒口可以按照熱節(jié)的溫度、出現(xiàn)部位進(jìn)行設(shè)計，參照熱節(jié)的凝固時間設(shè)計，使得鑄件按照順序凝固進(jìn)行[3]。

通過凝固模擬計算得出鑄件的整體凝固時間為381.76 s，側(cè)架左右兩側(cè)凹進(jìn)去的部位凝固時間最長，為最后凝固部位，是第一熱節(jié)；凹進(jìn)去的側(cè)旁的熱節(jié)為倒數(shù)第二最后凝固的部位，凝固時間約為321 s，為第二熱節(jié)，第三熱節(jié)凝固時間為303 s，第四熱節(jié)為243 s，充型結(jié)束190.88 s以內(nèi)，沒有明顯的熱節(jié)，確定了側(cè)架的熱節(jié)和凝固次序。鑄件凝固進(jìn)程如圖1所示。

圖1 側(cè)架裸件凝固進(jìn)程

2.2 缺陷預(yù)測及工藝制定

圖2 缺陷預(yù)測

預(yù)測的缺陷主要在鑄件的厚大部位[4]，尤其是中間頂部的肋板處，缺陷比較集中，根據(jù)缺陷預(yù)測的位置及凝固進(jìn)程，制定了如下工藝方案。

（1）冒口。鑄件中間上部兩肋板交叉處壁最厚，液相結(jié)晶凝固最慢，分別設(shè)置冒口，尺寸為ф100 mm×130 mm。鑄件中心空腔靠近第三熱節(jié)的凸臺，預(yù)測有縮孔，對稱地在兩凸臺分別設(shè)計冒口，尺寸為ф85 mm×90 mm。鑄件最長框架中間上部設(shè)計一冒口，尺寸為ф50 mm×85 mm，第一熱節(jié)處，鑄件兩側(cè)各設(shè)置一冒口，尺寸都為ф80.5 mm×120.4 mm，并設(shè)計了冒口頸。

（2）冷鐵。第二熱節(jié)處設(shè)計外冷鐵，尺寸為ф16 mm×50 mm，兩肋板交叉處下方設(shè)置一冷鐵，尺寸為ф16 mm×90 mm，第四熱節(jié)共四個位置設(shè)計四個冷鐵，尺寸都為ф16 mm×30 mm。

（3）澆注系統(tǒng)。澆注位置從兩側(cè)導(dǎo)柱頭澆注，分型面在零件豎直方向中間平面上；內(nèi)澆口安放在兩端，內(nèi)澆口長寬高分別為34.7 mm、25 mm、40 mm，從澆口杯流進(jìn)鋼液，設(shè)計為過橋澆注，一件一箱，直澆道直徑為45.3 mm、高424 mm,為了緩沖液體流動速度，在直澆道正下方設(shè)計了一澆口窩，澆口窩由一個立方體塊和一個半球組成，立方體塊在半球上方，立方體塊的長寬高尺寸分別為：71.8 mm、71.8 mm、40.5 mm，半球的直徑為71 mm。

2.3 有澆補系統(tǒng)的鑄件模擬計算

凝固時間是1 461.42 s，與裸件的凝固時間381.76 s相比，時間變?yōu)?倍，其原因是設(shè)置了澆補系統(tǒng)總質(zhì)量增加，從凝固進(jìn)程圖中看出，冒口和澆注系統(tǒng)都比鑄件熱節(jié)凝固時間要晚，從而很好地補縮了鑄件凝固過程中的收縮，裸件凝固預(yù)測的熱節(jié)已經(jīng)基本消除，最后凝固的部位都從裸件中的熱節(jié)轉(zhuǎn)移到澆冒系統(tǒng)中，表明鑄造澆冒工藝設(shè)計是合理的[5]。

3 預(yù)測缺陷與實物對比

圖3 試驗缺陷與模擬缺陷對比

比較實物縱剖面圖和對應(yīng)缺陷預(yù)測，可以發(fā)現(xiàn)此剖面內(nèi)部型腔沒有大缺陷，只是中間空腔上部有少許縮松，實物和預(yù)測情況基本吻合，表明上述工藝是切實可行的。

4 結(jié)語

（1）通過反復(fù)試驗，找到了合適的初始條件和邊界條件相關(guān)參數(shù)，為準(zhǔn)確預(yù)測熱節(jié)、缺陷奠定了基礎(chǔ)。

（2）通過不加澆冒系統(tǒng)的裸件凝固模擬，找出了各個熱節(jié)、預(yù)測出各熱節(jié)的凝固時間，并預(yù)測出鑄件的缺陷大小和位置，從而為合理地設(shè)計澆冒系統(tǒng)提供了參考。

（3）參照各個熱節(jié)以及缺陷大小和位置，設(shè)計出了合理的澆冒系統(tǒng)，進(jìn)行電腦虛擬澆注后，發(fā)現(xiàn)熱節(jié)和缺陷已經(jīng)基本消除，并與實物缺陷相比較，結(jié)果計算機預(yù)測缺陷和實物缺陷基本吻合。

（4）電腦虛擬澆注為鑄造實驗的進(jìn)行提供了科學(xué)的指導(dǎo)作用，可以降低試制時間、改進(jìn)工藝及降低實驗耗費，是一種科學(xué)可靠的鑄造技術(shù)。

[1] Beeley P R.Foundry Technology[M]. London:Butterworths,1972.

[2] 柳百城.鑄造技術(shù)和計算機模擬發(fā)展趨勢[J].鑄造技術(shù)，2005（7）：611-616.

[3] 中國機械工程學(xué)會鑄造分會. 鑄造手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004：46-82.

[4] 王文清，李魁盛.鑄造工藝學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002．

[5] 李英民,崔寶俠.計算機在材料熱加工領(lǐng)域中的應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001.

[6] 劉敬豪，凌云飛.支撐座一體側(cè)架鑄造工藝研究及實踐[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2013(2).

Casting process design and simulation optimization of side frame

LIU YanMing,GOU JingGuo,ZHANG AnYi
(Shanxi Datong University,Datong 037003, Shanxi,China)

The inner cavity of the side frame is more reinforced, due to poor butt and often lead to dislocation, the side frame parts are analyzed in this paper，The side frame was divided into grid and the simulationwas made by using CASTSOFT software， the six hot sections and four small dispersed hot day were predicted，and their solidifi cation time werecalculated， the defects location were predicted，On the basis of this, the process design of the casting was carried out，the riser、cold iron and casting system was designed,the greatest degree of reduction of defects，reasonable casting process was got fi nally, thus, it provided a reliable technical support for the production of the side frame, the experimental cost was reduced,is a kind of scientifi c and reliable casting process optimization technology.

hot spot；defect；casting；process design

TG269；

A；

1006-9658（2017）04-0045-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.013

山西大同大學(xué)校級項目（2014Q7）

2017-01-06

稿件編號:1701-1632

劉艷明(1982—），男，講師，碩士，主要研究方向為新材料研究及計算機模擬工作.