鑄件數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造工藝中的應(yīng)用

鑄件數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造工藝中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，鑄造銀行凝固數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它以鑄造工藝和硬化工藝的數(shù)值模擬技術(shù)為核心，分析了鑄造工藝的設(shè)計(jì)。預(yù)測(cè)了鈦條件收縮的缺點(diǎn)，改進(jìn)和優(yōu)化了工藝，縮短了產(chǎn)品的試驗(yàn)周期，降低了樣品的浪費(fèi)率，保持了工藝設(shè)計(jì)水平的穩(wěn)定性。本公司運(yùn)用華鑄CAE/InteCAST鑄造工藝分析軟件近四年的時(shí)間,對(duì)兩百余種不同的鑄件做過(guò)六百多次模擬分析,改進(jìn)和優(yōu)化了許多老產(chǎn)品鑄件的工藝,鑄鋼件廢品率穩(wěn)定在3%以下,大量的新產(chǎn)品則一次性澆注成功,最大限度地保證了鑄件質(zhì)量。本文介紹幾個(gè)生產(chǎn)中的成功實(shí)例,說(shuō)明“華鑄CAE”軟件在鑄鋼件補(bǔ)縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用效果。1扶手收縮、空氣和裂縫缺陷的去除1.1原鑄造工藝及缺陷杠桿體屬于通用件,同時(shí)用于RM80清篩機(jī)、QPJ-450拋碴機(jī)以及D09-32搗固車(chē)等不同車(chē)型的提軌裝置中,承擔(dān)著主要的作業(yè)任務(wù)。該件質(zhì)量要求較高,主要受力部位不得有氣孔、縮孔、裂紋及夾雜等鑄造缺陷,一旦出現(xiàn)問(wèn)題,將影響多種機(jī)型的裝機(jī)使用。杠桿體單件毛重40kg,屬中等壁厚小型鑄鋼件,原鑄造工藝見(jiàn)圖1。由于兩柱臺(tái)較長(zhǎng),原工藝在?80mm×190mm柱臺(tái)上端面放冒口補(bǔ)縮,內(nèi)置冷鐵激冷,在?135mm圓筒平臺(tái)上端面放冒口補(bǔ)縮,在?50mm×100mm柱臺(tái)放內(nèi)冷鐵,生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)。(1)加工?50mm柱臺(tái)時(shí),內(nèi)孔出現(xiàn)裂紋縮松缺陷,造成批量廢品。(2)加工?80mm柱臺(tái)時(shí),內(nèi)孔出現(xiàn)氣孔,端面有裂紋。(3)銑?135mm圓筒外側(cè)55mm×80mm平臺(tái)矩形槽時(shí)出現(xiàn)縮孔。(4)懸臂拐角處縮松。1.2原工藝設(shè)計(jì)模擬分3個(gè)模塊。(1)處理前處理賦予STL文件材質(zhì)屬性及優(yōu)先級(jí)別選擇,設(shè)置網(wǎng)格剖分參數(shù),進(jìn)行網(wǎng)格剖分。(2)計(jì)算和分析由于杠桿體屬于中等壁厚小型鑄鋼件,因此選擇速度較快的純凝固計(jì)算方式。(3)模擬結(jié)果分析計(jì)算結(jié)束后,涉及到縮孔、縮松的原始數(shù)據(jù)主要是*.tem和*.dfc兩類(lèi)文件。前者是溫度文件,可顯示不同時(shí)刻的液相分布情況;后者是重力補(bǔ)縮缺陷文件,可對(duì)縮孔縮松作直觀的定量描述。以下分兩個(gè)步驟分析模擬結(jié)果。第1步,液相分布。通過(guò)液相分布情況及孤立液相區(qū),可判斷補(bǔ)縮通道是否暢通,預(yù)測(cè)縮孔、縮松可能出現(xiàn)的區(qū)域。杠桿體凝固過(guò)程共產(chǎn)生106幀圖,當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算至第6幀、第41幀、第65幀圖時(shí),分別在?50mm柱臺(tái)、懸臂拐角和?80mm柱臺(tái)出現(xiàn)孤立液相。圖2的孤立液相區(qū)顯示,冒口的補(bǔ)縮通道先于?50mm、?80mm柱臺(tái)和懸臂拐角凝固,補(bǔ)縮通道被隔斷,導(dǎo)致各孤立液相區(qū)最終產(chǎn)生缺陷。第2步,縮孔形成。圖3是最后一幀*.dfc縮孔形成圖,圖中紅色為縮松區(qū),黑色為縮孔區(qū)。該圖顯示,孤立液相區(qū)最終形成了較大面積的縮松,與實(shí)際生產(chǎn)中缺陷出現(xiàn)的部位相吻合。1.3內(nèi)冷鐵周?chē)毕?1)原工藝內(nèi)冷鐵未能消除兩柱臺(tái)熱節(jié)部位的縮松,反而因內(nèi)冷鐵設(shè)計(jì)處理不當(dāng)或與鑄件熔合不良,導(dǎo)致內(nèi)冷鐵周?chē)a(chǎn)生氣孔、縮松和微裂紋。(2)原工藝在懸臂拐角處未有補(bǔ)縮措施,致使拐角處產(chǎn)生孤立液相形成縮松。1.4mm柱臺(tái)側(cè)冒口的改造經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)方案的模擬對(duì)比,得出最終的優(yōu)化方案,如圖4。(1)取消兩柱臺(tái)內(nèi)冷鐵。(2)在?135mm圓筒外側(cè)55mm×80mm平臺(tái)處增設(shè)一個(gè)側(cè)冒口,并在圓筒內(nèi)孔增加補(bǔ)貼,以打通矩形凸臺(tái)與?50mm柱臺(tái)間的補(bǔ)縮通道。(3)將?80mm柱臺(tái)頂冒口改為側(cè)冒口,避免因補(bǔ)縮通道太長(zhǎng)而產(chǎn)生孤立液相。(4)在兩柱臺(tái)下方以及懸臂拐角處設(shè)置外冷鐵。1.5無(wú)孤立液相區(qū)對(duì)改進(jìn)工藝模擬,將*.tem文件進(jìn)行批處理,做成動(dòng)畫(huà),未發(fā)現(xiàn)有明顯的孤立液相區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算至第6幀、第41幀、第65幀圖時(shí),?50mm柱臺(tái)、懸臂拐角和?80mm柱臺(tái)均無(wú)孤立液相,如圖5。查看*.dfc文件,主要控制區(qū)也無(wú)縮孔縮松,如圖6所示。1.6批量樣品的解決將優(yōu)化方案交付實(shí)際生產(chǎn),對(duì)兩柱臺(tái)進(jìn)行超聲波探傷,探傷合格后,完成全部加工,經(jīng)檢驗(yàn),鑄件質(zhì)量合格。由此根除了杠桿體縮松、氣孔及裂紋缺陷,解決了批量廢品問(wèn)題。圖7為工藝改進(jìn)前后質(zhì)量對(duì)比圖。2超聲波探傷分動(dòng)齒輪箱箱體屬于AB類(lèi)關(guān)鍵控制件,質(zhì)量要求高,鑄件毛坯和粗加工完成后均要進(jìn)行磁粉和超聲波探傷,對(duì)鑄件缺陷有嚴(yán)格的限制。生產(chǎn)中的問(wèn)題是:分動(dòng)箱體鑄件曾在液壓試驗(yàn)中出現(xiàn)漏油。2.1圓形冒口和遠(yuǎn)端放冷鐵(1)分動(dòng)箱體重120kg,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,原工藝為臥式中間分型,上型軸孔放四只腰圓冒口,下型軸孔放兩只圓形冒口,冒口遠(yuǎn)端放冷鐵。經(jīng)觀察,滲漏發(fā)生在下型兩安裝臂根部,此根部明顯縮陷。(2)上型安裝臂沒(méi)有縮松,得益于軸孔兩外側(cè)冒口的補(bǔ)縮,而下型軸孔兩外側(cè)不易放置冒口,只能用冷鐵激冷,但卻堵塞了通向安裝臂的補(bǔ)縮通道,使安裝臂成為孤立熱節(jié),導(dǎo)致根部縮松,使其在液壓試驗(yàn)中漏油。2.2軸臺(tái)與安裝臂補(bǔ)縮圖8為改進(jìn)工藝前后的對(duì)比。(1)取消下型軸孔外側(cè)冷鐵,兩外側(cè)軸孔鑄成盲孔,采用兩只保溫冒口并置于盲孔中心,保持軸臺(tái)與安裝臂補(bǔ)縮通道暢通,并在安裝臂端頭放冷鐵,經(jīng)模擬,該補(bǔ)縮方式可行。(2)由于兩個(gè)冒口可同時(shí)補(bǔ)縮三個(gè)軸孔及兩側(cè)安裝臂,與四個(gè)冒口的補(bǔ)縮方式相比,既節(jié)約金屬又易于冒口的去除,于是將上型四只腰圓冒口改為兩只圓柱形明冒口,軸孔的處理與下型相同,有效提高了鑄件的工藝出品率。2.3安裝臂頂部實(shí)施圖9為兩種工藝模擬的縮孔形成圖。圖中顯示,改進(jìn)前安裝臂根部確有大面積縮松,改進(jìn)后則致密。采用新工藝所生產(chǎn)的鑄件,質(zhì)量穩(wěn)定,無(wú)氣孔、縮松,達(dá)到模擬預(yù)期的效果。3d29-3x鑄造工藝軸承箱體是搗固系列產(chǎn)品中的AB類(lèi)件,同樣是重點(diǎn)控制件。D08-32和D09-32機(jī)型中的軸承箱體,采取臥式分型、兩肩部熱節(jié)處放冒口,金屬液由冒口引入,在澆口遠(yuǎn)端設(shè)置外冷鐵和排渣溢流冒口工藝,見(jiàn)圖10a。由于采用轉(zhuǎn)包澆注,上端面加工后有不同程度的氣渣孔缺陷,經(jīng)過(guò)多次調(diào)整,始終無(wú)法克服夾渣問(wèn)題。為了避免上述缺陷,D09-3X機(jī)型的軸承箱體采用立式分型、底注式澆注系統(tǒng)、冒口置于鑄件高點(diǎn)的工藝,見(jiàn)圖10b。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)立式分型,重要的加工面位于側(cè)面,加之金屬液由底部引入,可平穩(wěn)地將氣、渣推至冒口,確保軸孔端面質(zhì)量。(2)非經(jīng)驗(yàn)性冒口設(shè)計(jì)提高了鑄件的工藝出品率。根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn),冒口應(yīng)放在鑄件的幾何熱節(jié)上,才符合由遠(yuǎn)及近的順序凝固原則,但因此形成較大的接觸熱節(jié),致使凝固時(shí)間延長(zhǎng),冒口根部鑄件常發(fā)生縮孔、縮松、熱裂、晶粒粗大及偏析等缺陷。而冒口放在離開(kāi)幾何熱節(jié)的次熱節(jié)處,能實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)順序凝固,既減少了冒口數(shù)量又減小其尺寸,大大提高工藝出品率。對(duì)D09-3X機(jī)型軸承箱體工藝進(jìn)行模擬,圖11顯示,鑄件充型平穩(wěn),出氣排渣順暢,充型后溫度場(chǎng)的溫度較均勻,整個(gè)凝固過(guò)程無(wú)孤立液相,查看最后一幀dfc文件,鑄件無(wú)縮孔縮松。將工藝投入生產(chǎn),并經(jīng)機(jī)械加工后的磁粉和超聲波探傷檢驗(yàn),鑄件致密無(wú)缺陷,工藝出品率高達(dá)72%,而老機(jī)型僅有50%,實(shí)現(xiàn)了多快好省的目的。D09-3X機(jī)型的軸承箱體一次性澆注成功,使模擬計(jì)算達(dá)到了預(yù)期效果。4鑄造材料的補(bǔ)縮模擬(1)凝固模擬有助于對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析,利于判別補(bǔ)縮通道和非補(bǔ)縮通道,確定冒口的最佳作用位置,只要冒口設(shè)在補(bǔ)縮通道上,就能有效地對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。(2)可準(zhǔn)確顯示兩熱節(jié)之間連接通道斷流的位置,便于在斷流處合理設(shè)