基于magma的主軸承蓋工藝方案優(yōu)化

基于magma的主軸承蓋工藝方案優(yōu)化

大馬力主承包是一家公司的外貿(mào)訂單。我們的工廠正在生產(chǎn)毛主席。鑄造材料為ptd450，鐵素體基?；瘜W(xué)成分如表1所示。主軸承蓋由于受到動(dòng)態(tài)應(yīng)力影響較大,因而國(guó)外對(duì)該鑄件內(nèi)在質(zhì)量要求較嚴(yán)格,不允許有縮松缺陷,尤其是應(yīng)力相對(duì)較大的中間部分。該主軸承蓋屬于板狀零件,壁厚比較均勻,尺寸較大,鑄造容易產(chǎn)生縮松缺陷,鑄件主要尺寸為:267mm×156mm,厚度53mm。其性能要求:抗拉強(qiáng)度≥450MPa,屈服強(qiáng)度≥280MPa,伸長(zhǎng)率≥10%,硬度HB140~210,鑄件本體取樣檢測(cè)。1工藝方案的確定該鑄件外形相對(duì)簡(jiǎn)單,可以用DISA線進(jìn)行生產(chǎn),該生產(chǎn)線采用濕型砂垂直壓射造型,具有精度高、鑄件表面質(zhì)量好、錯(cuò)型值小,效率高的特點(diǎn)。DISA線的這些特點(diǎn)比較適合軸承蓋類表面及內(nèi)部質(zhì)量要求高的鑄件。結(jié)合以前的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),軸承蓋主要是保證內(nèi)部致密,軸瓦配合的圓弧加工面無細(xì)微砂眼、渣孔、氣孔等缺陷,每型只能布置一件,通過設(shè)計(jì)多種工藝方案進(jìn)行優(yōu)選、優(yōu)化,確定最終的方案。在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)合現(xiàn)有的小軸承蓋的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了4種方案進(jìn)行優(yōu)化,如圖1所示。方案1見圖1a,模仿現(xiàn)有的轎車軸承蓋的一型多件的工藝方案,從任一小端面注入鐵液,通過一個(gè)熱冒口補(bǔ)縮。方案2見圖1b,將鑄件U型放置,通過兩個(gè)熱冒口補(bǔ)縮,該方案最大的問題是如果鐵液中有二次氧化渣則全部附著在圓弧形的軸瓦配合面上,因此對(duì)鐵液的純凈度要求比較高。方案3見圖1c,在方案1的基礎(chǔ)上增加了底冒口,兩個(gè)側(cè)冒口補(bǔ)縮,根據(jù)冒口互補(bǔ)的原理,下面的冒口將會(huì)影響上面冒口的補(bǔ)縮效果。方案4見圖1d,兩個(gè)頂冒口進(jìn)行補(bǔ)縮,鑄件反轉(zhuǎn)為n字型布置。該方案有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn),其一由于鐵液浮力的作用,消除了軸瓦配合面的砂眼、渣孔存在的風(fēng)險(xiǎn),其二是兩個(gè)獨(dú)立的頂熱冒口同時(shí)補(bǔ)縮鑄件,鐵液補(bǔ)縮供給能力增強(qiáng)。所有方案的澆注系統(tǒng)的撇渣和阻流方案一致。2數(shù)值模擬和分析優(yōu)化2.1壓頭充型模擬結(jié)果分別對(duì)1、2、4三種方案的充型過程溫度場(chǎng)進(jìn)行比較,對(duì)方案1進(jìn)行分析后認(rèn)為,鑄件最后凝固部位在中間位置,方案3在增加了一個(gè)冒口的情況下,補(bǔ)縮距離長(zhǎng)以及底部冒口的壓頭高度比中間部位低,沒有優(yōu)勢(shì),因此對(duì)方案3沒有進(jìn)行模擬。對(duì)方案1的模擬發(fā)現(xiàn),在充型過程中有回卷的現(xiàn)象,容易產(chǎn)生氣孔和二次渣孔缺陷,而方案2在充型時(shí)液流呈分散的珠狀流入,同樣也容易產(chǎn)生氧化夾渣缺陷,另外,該方案在直澆道也發(fā)生了卷氣。方案4的充型過程平穩(wěn),但在液流中間交匯處容易造成卷氣,而中間并沒有布置排氣的通道。充型過程見圖2-圖4。其中1、2方案容易在軸瓦配合圓弧面處形成有害夾渣物。2.2縮孔、縮松缺陷觀察三種方案的凝固過程,見圖5-圖7,三種方案(方案1、2、4)在凝固過程中都較早出現(xiàn)了孤立液相區(qū),但又有所區(qū)別,方案1、2的孤立液相區(qū)在凝固過程中一直以一個(gè)整體出現(xiàn),這樣不可避免會(huì)出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷,由軟件的補(bǔ)縮判據(jù)也可以支撐這個(gè)觀點(diǎn),見圖8。而方案4在凝固過程中形成了兩個(gè)小的孤立液相區(qū),形成缺陷的幾率和缺陷的大小就會(huì)小很多,另外,由于弧形區(qū)域是與軸承配合的部位,這個(gè)部位要求更高,故將澆口放在其背面,可以減小砂眼、渣眼等缺陷發(fā)生。利用軟件的模數(shù)判據(jù)對(duì)三種方案進(jìn)行分析,見圖9,可以得出以下結(jié)論,三個(gè)方案的冒口模數(shù)均低于鑄件本體的模數(shù),即冒口設(shè)計(jì)偏小,因此不可能由冒口完成對(duì)鑄件的完全補(bǔ)縮,但是因?yàn)殍T件本體較大,受擠壓線造型室高度尺寸以及吃砂量的影響,在這三種方案基礎(chǔ)上將冒口加大將會(huì)引起砂型掉砂、漲箱等其他鑄造缺陷。2.3鑄造工藝的改進(jìn)綜合前面三種方案模擬結(jié)果的分析,需要考慮排除在澆注過程中液流交匯部位易發(fā)生的卷氣,避免形成卷氣、二次氧化渣孔缺陷,同時(shí)要加強(qiáng)鑄件補(bǔ)縮,確保鑄件內(nèi)部致密,在相對(duì)比較合理的方案4的基礎(chǔ)上,中間增加了一個(gè)冒口,它可以完全解決憋氣現(xiàn)象,又能起到很好的補(bǔ)縮作用,形成方案5,見圖10。對(duì)方案5進(jìn)行模擬后,觀察熱節(jié)判據(jù),發(fā)現(xiàn)中間冒口的熱節(jié)部位在大冒口下方,鑄件本體也有一部分,見圖11;而利用模數(shù)判據(jù)進(jìn)行判斷,冒口的模數(shù)2.0cm,而本體的模數(shù)只有1.7~1.9cm,其中模數(shù)1.9cm的區(qū)域在冒口的正下方,冒口正好能夠補(bǔ)縮到,見圖12。利用軟件的縮松判據(jù)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)在冒口的正下方還存在著縮松缺陷,見圖13。分析主要是冒口頸過大,導(dǎo)致冒口頸下部一直處于過熱狀態(tài),因此可以通過調(diào)整冒口頸尺寸和形狀,使其順序凝固或者均衡凝固來消除冒口下方的縮松傾向。當(dāng)然該方案雖然可以實(shí)現(xiàn)鑄件內(nèi)部致密,軸瓦配合面砂眼、渣孔缺陷的幾率比較低,但是由于采用多冒口補(bǔ)縮,導(dǎo)致鑄造工藝出品率很低,只有不到45%。因此在第5個(gè)方案的基礎(chǔ)上,又一次進(jìn)行了改進(jìn),形成最終方案6。方案6是去掉兩側(cè)的冒口,只保留中間冒口,將冒口加大的同時(shí)調(diào)整冒口頸的大小,為避免取消兩邊冒口對(duì)鑄件致密度的影響,在兩側(cè)增加兩個(gè)砂芯,為保證順序凝固。工藝布置見圖14。通過冒口和冒口頸大小、形狀的調(diào)整,同時(shí)輔以冒口遠(yuǎn)端冷卻片的應(yīng)用,經(jīng)MAGMA模擬分析顯示(圖15-圖18),觀察固液相收縮圖、系統(tǒng)溫度場(chǎng)的變化圖、Niyama微觀縮松判據(jù)圖,可以判斷溫度場(chǎng)變化符合順序凝固的理論,鑄件、冒口系統(tǒng)的液相收縮完全進(jìn)入到冒口,鑄件內(nèi)部致密無縮松缺陷。因此將方案6作為最終的工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)。3鑄件力學(xué)性能及組織力根據(jù)模擬結(jié)果,進(jìn)行了模具的設(shè)計(jì)及加工,形成了一套砂芯模具和模板,見圖19。通過調(diào)試和批量生產(chǎn),并對(duì)生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行解剖以及X射線無損探傷,檢測(cè)結(jié)果如表2所示,完全滿足鑄件的力學(xué)性能及組織要求,鑄件沒有出現(xiàn)任何縮孔、縮松缺陷,見圖20、圖21。鑄件通過批量加工,軸瓦配合面沒有出現(xiàn)任何砂眼、渣孔缺陷,一次調(diào)試成功,沒有做其他工藝更改,投入批量生產(chǎn)。4鑄造工藝方案模擬與檢測(cè)利用CAD建模,構(gòu)建了外部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,內(nèi)部質(zhì)量要求較高的大馬力主軸承蓋三維仿真模型,并實(shí)現(xiàn)了多個(gè)三維工藝方案的詳細(xì)設(shè)計(jì),通過MAGMA軟件對(duì)多個(gè)方案模擬優(yōu)選,利用niyama等判據(jù)分析,最終獲得了最優(yōu)鑄造工藝方案,經(jīng)過在線生產(chǎn)實(shí)