華鑄CAE工藝模擬在轍叉鑄造生產中的應用

張曉宇

（中鐵山橋集團有限公司，秦皇島 066200）

在日益激烈的市場競爭中，鑄造企業不僅需要保證產品的高品質，還需要保證較低的生產成本。在鑄造生產過程中，鑄造缺陷引起的鑄件返修或報廢是引起鑄造企業成本增加的主要原因。目前，如何減少或消除鑄造缺陷，是大多數鑄造企業都面臨的問題。傳統的鑄造工藝設計，對設計者的經驗依賴較大，但對于新產品、新結構或提高標準需對工藝做出較大變動時，往往需要反復進行工藝試制，不僅試制周期長，更重要的是造成生產成本浪費。進入21世紀以來，鑄造模擬技術已經成為鑄造企業提升市場競爭力、保證鑄件質量的重要手段。鑄造CAE技術利用計算機技術來改造和提升傳統鑄造技術，對降低產品成本、提高鑄造企業競爭力有著不可替代的作用，其應用和推廣必將為鑄造行業帶來很大經濟和社會效益。本文通過介紹鑄造CAE技術的基本思路以及溫度場和流動場數值模擬的數學模型的基礎上，介紹華鑄CAE/InteCaet—R11.0在高錳鋼轍叉生產中的應用實例。

1 華鑄CAE技術的基本思路

華鑄CAE軟件包括前置處理模塊、計算分析模塊以及后置處理模塊。前置處理模塊包括對鑄件、砂芯、鑄型等的三維造型和網格剖分；計算分析模塊是對鑄件、鑄型的各物理場進行求解；后置處理模塊是把計算結果以曲線、圖形、圖像以及動畫等表達方式直觀有效地表達出來。最后，根據模擬分析結果判斷工藝優劣，如果工藝不可行，則改進工藝重新進行模擬分析直至獲得一個比較滿意的結果，這樣就實現了在計算機虛擬環境下優化工藝的目的。

2 華鑄CAE技術在轍叉生產中的應用

2.1 鑄件結構特點

該轍叉外型尺寸為1870mm×268mm×190mm，中部存在螺栓孔，因長度尺寸較大，且存在局部較厚區域，易發生縮孔、縮松缺陷，圖2是產品三維模型。

圖2 轍叉鑄件三維模型

2.2 鑄件工藝特點

采用砂型鑄造，分箱造型，采用跟端“T”形截面澆注系統，橫澆道上設置明冒口，其余為保溫暗冒口，并依據冒口位置，在熱節表面放置碳鋼冷鐵，加速鑄件表面凝固。在型腔表面刷涂醇基涂料，以放置粘砂。

2.3 工藝參數設定

鑄件所用材質為ZGMn13，澆注溫度設定為1470℃，補澆2次，開啟重力補縮，化學成分及物理特性等參數均依據生產實際對數據庫內參數進行調整，盡可能使模擬環境與生產現場貼近。

2.4 工藝模擬

網格剖分檢查、判斷無誤后，首先進行澆注過程的流場模擬，圖4為充型幾個階段的情況，從圖4中可以看出，鋼水剛進入型腔時存在卷起現象，液面不平穩，當充型50%左右時，液面逐漸趨于平穩。

圖4 色溫填充過程

澆注后4489s型腔內鋼水形成固態，如圖5所示，此時鑄件較厚大部位和部分冒口根部出現大片縮松缺陷，端頭出現縮孔，這些縮孔、縮松缺陷面積較大，超出X射線和超聲波探傷一級轍叉的標準，且按此工藝生產的轍叉內部質量存在很大隱患，對線路行車安全存在潛在威脅。

2.5 工藝改進

首先，將澆注系統截面改為全斷面澆注，增大鋼水進入型腔流量，使補縮通道更順暢，消除縮孔缺陷，減小氣卷發生幾率。

其次，將原有暗冒口由保溫冒口改為發熱冒口，增大冒口補縮能力，消除冒口間縮松。

圖5 鑄件凝固模擬縮孔、縮松分布圖

再次，明冒口在澆注完畢后放發熱劑，進一步增大補縮效果。

最后，針對不同結構、部位放置隨型冷鐵，保證順序凝固。

2.6 改進效果

改進工藝后，再次進行工藝模擬，氣卷現象明顯改觀，各部位冒口均充分發揮補縮效果，縮孔、縮松缺陷基本消除。經過5×5批量生產，產品通過超聲波探傷（一級）和X射線探傷，且表面沒有裂紋、粘砂、冷隔等鑄造缺陷。

3 結論

通過華鑄CAE軟件的鑄造工藝模擬，可以準確判斷縮孔、縮松等鑄造缺陷的發生趨勢，輔助轍叉鑄造工藝設計人員編制、改進鑄造工藝，從而縮短新產品開發周期，提高工藝出品率，降低生產成本，提高產品市場競爭力。