基于數值模擬軟件的柱窩鑄造工藝設計

栗懷鋒

(山西潞安機械有限責任公司，山西 長治 046204)

液壓支架是綜采工作面的重要設備，其作用是支護頂板、推移工作面輸送機和采煤機。而柱窩是液壓支架上的重要零部件之一，立柱的上端是頂梁柱窩，通過焊接鑲嵌在頂梁結構件內；立柱的下端是底座柱窩，通過焊接鑲嵌在底座結構件內。當礦壓比較明顯時，柱窩承受巨大的壓力和載荷，需要較高的鑄造質量，不能有縮孔、縮松等缺陷[1]。

1 頂梁柱窩的輪廓尺寸及鑄造工藝參數設定

圖1是用UG軟件繪制的前/后頂梁柱窩三維實體模型。前頂梁柱窩長445 mm、寬400 mm、高378 mm，重222 kg，見圖1(a)；后頂梁柱窩長425 mm、寬400 mm、高343 mm，重200 kg，見圖1(b)。材質為ZG27SiMn，熱處理調質硬度為 240～280 HB。

圖1 頂梁柱窩

實際生產中由于前、后頂梁柱窩配對使用，制作模具時為一箱兩件。柱窩窩底及耳部為柱窩的關鍵部位，為保證其鑄件質量放置于下型。前、后頂梁柱窩高度相差35 mm，由于上型設置冒口，結合柱窩結構特點，所以分型面確定為圖2所示位置。

圖2 鑄造工藝三維模型

潞安機械公司采用轉包澆注，由于轉包沒有擋渣能力，所以要求澆注系統要有較好的擋渣能力，常選用封閉式或半封閉式的澆注系統。其截面比為∑F內∶∑F橫∶∑F直=1∶0.9∶1.2[2]。

根據鑄件結構特點，采用直澆道1個，前、后頂梁柱窩共用1個橫澆道，雙側2個內澆道進行澆注，各組員尺寸如圖3所示。

圖3 各組員截面尺寸(mm)

該頂梁柱窩為“王”字筋結構，“十”字及“T”字筋交叉處為熱節部位。從結構特點考慮“十”字筋處放置冒口可保證“T”字筋處鋼水補縮，故在兩柱窩“十”字筋上各安放1個明頂冒口。冒口尺寸：根部直徑D=160 mm，頂部直徑D1=250 mm，高度310 mm。鑄件出品率約為73%。

2 計算機模擬及結果分析

按圖2所示把柱窩的三維模型圖導入數值模擬軟件中，進行169萬數目的網格劃分，同時設置數值模擬的相關參數， 在鑄造方式中選擇常規重力鑄造，主要化學成分含量見表1，澆注溫度1 550 ℃，環境的初始溫度 25 ℃，澆注時間30 s[3]，然后進行凝固模擬分析。

表1 ZG27SiMn主要成分含量 (質量分數：%)

計算完畢后，選取4張凝固圖片來分析全部的凝固過程，如圖4所示。圖中灰色部分代表液態，白色部分代表固態，黑色部分代表縮孔。t=1 000 s 時，從四周向中心部位凝固，見圖4(a)；t=2 000 s 時，由于柱窩單一筋板部位較“T”字筋及“十”字筋部位薄，所以先凝固，剩余的液態部分組成一個連通區域，見圖4(b)；t=3 000 s 時，“T”字筋、“十”字筋熱節部位較厚所以此時仍為液態，見圖4(c)；t=4 000 s 時，凝固結束，在“T”字筋及“十”字筋熱節部位形成縮孔，見圖4(d)。

圖4 凝固過程中的數值模擬結果

由圖4(d)得出，鑄件凝固后期出現大量的枝晶并搭接成完整的骨架時，如果枝晶骨架被拉開的速度很慢得不到金屬液的補充，鑄件就會出現裂紋。并且在后續氣割冒口、調質處理、焊接后等多重應力疊加后在窩底位置也加重了裂紋缺陷產生，見圖5，“T”字筋及“十”字筋部位容易存在質量缺陷[4-5]，尤其是窩底處的“十”字筋關鍵部位。所以，需要重新調整凝固方式保證此部位質量。

圖5 頂梁柱窩剖切后的縮孔及裂紋缺陷

3 工藝優化

“十”字筋熱節部位在凝固后期由于冒口根部已經凝固，從而形成了孤立液相區，冒口內鋼水不能有效補縮。如果通過增大冒口尺寸提高冒口補縮能力，則降低了鑄件出品率，生產成本隨之增加。

如果通過外冷鐵工藝調整鑄件凝固順序，讓“十”字筋熱節部位先于冒口凝固，無疑是一種更好的選擇。外冷鐵類型和尺寸：方形直接外冷鐵，長×寬=75 mm×75 mm，厚度25 mm。

在實際生產中，由于硅砂批次及澆注溫度等因素不穩定，在窩底部位常常伴隨著夾砂缺陷產生。通過在窩底處使用鉻礦砂，不僅可以提高窩底表面質量，也可以對上部“十”字筋處熱節起到激冷作用。調整后的鑄造工藝見圖6。

圖6 工藝優化后的頂梁前柱窩模型(頂梁后柱窩同)

4 工藝優化后的模擬結果分析

按照圖6所示把柱窩的三維模型圖重新導入數值模擬軟件中，進行凝固模擬分析，結果見圖7。從圖7可以明顯看出“T”字及“十”字筋部位縮孔、縮松缺陷已經消除。

5 實際生產驗證

為了驗證數值模擬結果，現場進行了生產試制，后續對頂梁柱窩進行了超聲波檢測以及破壞性試驗[6]，未發現質量缺陷，見圖8。經支架壓力試驗后，沒有出現任何質量問題。

圖7 凝固結束后的效果

圖8 使用鉻礦砂后的柱窩窩底及剖切截面

6 結 語

1) 利用計算機數值模擬軟件對柱窩鑄造工藝進行數值模擬可快速、有效地判斷鑄件內部缺陷位置，并為下一步工藝方案優化提供理論參考。

2) 在不增加冒口尺寸的情況下，通過安放外冷鐵調整凝固順序，從而得到完整的內部組織，經過生產驗證，柱窩質量達到設計要求。

3) 針對柱窩在砂型鑄造中普遍存在的窩底結疤問題，使用鉻礦砂可有效避免，同時可以對上部“十”字筋處熱節起到激冷作用，使組織具有較高的致密性。