大型齒輪圈鑄鋼件凝固工藝的數(shù)值模擬

大型齒輪圈鑄鋼件凝固工藝的數(shù)值模擬

鑄造鋼圈是礦山、冶金、水泥、建材、煤炭、能源等行業(yè)的重要大型鑄造材料。由于其大小和形狀，車輪邊緣的焊接齒深達到車輪邊緣厚度的一半。在機加工后，車輪邊緣的中心部分就存在焊接缺陷。齒輪圈的材質為ZG42CrMo,凝固溫度范圍寬,其凝固特性決定了鑄件易形成顯微疏松,生產(chǎn)中砂眼、氣孔、縮松、縮孔缺陷比較突出,磁粉探傷后出現(xiàn)超標磁痕顯示,在生產(chǎn)中不僅影響了產(chǎn)品的質量,增加成本,而且影響交貨期。齒輪圈的工藝出品率降低。因此,要利用凝固過程的數(shù)值模擬技術,優(yōu)化鑄件的鑄造工藝,保證鑄件的順序凝固及鋼液補縮效果,最終解決齒輪圈的縮孔、縮松、氣孔、砂眼缺陷,提高齒輪圈質量、生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益。1大型齒輪圈初始工藝方案及模擬結果1.1齒輪圈的工藝設計此齒輪圈的外型輪廓尺寸為:?5103.28mm×450mm,質量約為29t,材質為ZG42CrMo,化學成分(質量分數(shù)/%):C為0.42～0.48、Si為0.3～0.6、Mn為0.6～1、Cr為0.8～1.2、Mo為0.2～0.3、S≤0.035%、P≤0.025%。傳統(tǒng)的制作工藝如下。(1)采用內(nèi)澆道底返工藝:即通過直澆道和橫澆道把鋼水引到鑄件底部,再由內(nèi)澆道從底部注入型腔。(2)采用簡易澆注系統(tǒng),澆注溫度為1550℃。(3)冒口設置:在外輪緣與筋結合處,采用14個圓柱冒口,尺寸為375mm×560mm,在結合板處采用2個腰形冒口,尺寸為375mm×560mm,在內(nèi)輪緣與筋結合處,采用14個圓柱加半球形冒口,尺寸為300mm×200mm+半球14-300mm。(4)生產(chǎn)實際說明,齒輪圈的熱節(jié)出現(xiàn)在內(nèi)外輪緣與筋聯(lián)接處、結合板處。解決齒輪圈熱節(jié)處的縮孔、縮松是最困難的問題。在進行數(shù)值模擬前,首先要完成鑄件、鑄型、冒口、澆注系統(tǒng)以及冷鐵等工藝形體的三維實體造型。三維實體造型是進行鑄造凝固數(shù)值模擬的基礎,既要能夠輸出STL格式,以便進行有限差分網(wǎng)格剖分和熱分析,在造型時,選擇利用Solidworks三維造型軟件進行三維造型,將初始的二維工藝圖轉化為三維工藝圖,形成工藝模型,圖1為沒加冒口套及冷鐵時的造型圖。1.2初始物理模型華鑄CAE軟件包括3個部分: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(wǎng)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。首先對工藝模型進行均勻網(wǎng)格剖分,其中確定最佳剖分網(wǎng)格的大小的原則是:在溫度場計算中保證最薄處有兩個或兩個以上網(wǎng)格,避免出現(xiàn)完全線接觸網(wǎng)格,齒輪圈鑄件最薄處為100mm,取網(wǎng)格大小為30mm。溫度場初始化物性參數(shù)設置如見表1,鑄件材質為ZG42CrMo,潛熱為250.18J/g,環(huán)境溫度為35℃,液相線溫度為1499℃,固相線溫度為1424℃,合金凝固系數(shù)為1.3,輻射系數(shù)為0.375,粘度為0.06cm2/s。砂型鑄造的界面參數(shù)如下:鑄件/鑄型=0.023;鑄件/空氣=0.023;鑄型/空氣=0.023。鑄件的臨界固相率是65%,與此固相率所對應的溫度成為臨界溫度,其值與鑄鋼的種類有關,一般取液、固相線溫度差的65%～75%,臨界固相線溫度Ts=TL-(TL-Ts)×70%,所以其值為1446℃,如果低于此溫度,則認為鑄件已經(jīng)凝固。圖2為齒輪圈凝固階段不同時刻的液相分布圖(綠色為固相,紅色為液相)。圖2a是經(jīng)過2421s的凝固狀態(tài),可以看出在鑄件外輪緣與筋板結合處和冒口底部已經(jīng)出現(xiàn)了孤立的液相區(qū),這可能是由于補縮通道不暢通造成的。圖2b是經(jīng)過3620s的凝固狀態(tài),看出這種情況進一步加劇,在外輪緣與筋板結合處冒口下部可能出現(xiàn)大面積的縮孔、縮松危險區(qū),存在嚴重的縮孔、縮松傾向,為解決這一問題,需要在原工藝方案此處適當放置冷鐵,加速此處的冷卻速度;同時應修改冒口尺寸和內(nèi)補貼,使冒口補縮通道暢通,及延長補縮距離。2工藝模型的建立及模擬過程由凝固過程液相分布圖可以看出,在齒輪圈外輪緣存在大量液相孤立區(qū),主要原因是由于齒輪圈外輪緣壁厚大,且與筋板形成熱節(jié),沒有獲得明顯的順序凝固造成的;各個冒口下方也存在液相孤立區(qū),使得冒口中金屬液沒有起到應有的補縮作用;在兩半齒輪圈結合板處由于熱節(jié)部位較大,金屬液來不及補縮也形成縮孔。總之這些缺陷是由于無法補縮造成的。針對存在的鑄造缺陷對工藝進行如下修改:(1)在外輪緣周圍冷鐵一周,厚度為300mm。冷鐵的形狀和外輪緣相同,材質與鑄件一致。(2)加大冒口尺寸為:14-400mm×560mm,并且增加補塊,使冒口補縮距離延長。(3)為各個冒口設置保溫冒口套,具體尺寸為:原14-400mm,高560mm的圓形明冒口加設500mm×610mm保溫冒口套;原2-400mm,高560mm的腰形明冒口加設500mm×610mm保溫冒口套;原14-300mm+半球300mm,高450mm的暗冒口加設14-400mm+半球400mm,高500mm保溫冒口套。(4)在鋼液上升到鑄件1/2～2/3處時往各個明冒口上面加撒冒口覆蓋劑。優(yōu)化工藝方案后齒輪圈的實體工藝模型圖,見圖3。按照以上工藝優(yōu)化后,按照華鑄CAE流程,重新開始一次模擬。模擬后固液相分布圖見圖4。工藝優(yōu)化后,凝固時間為12008s。從圖4中可以明顯的看到,從開始凝固到凝固基本結束,鑄件已經(jīng)全部凝固,而冒口內(nèi)部還有大量液體存在,說明冒口能夠有效的補縮鑄件,能夠實現(xiàn)從鑄件到冒口的順序凝固圖4d表示液相孤立區(qū)都已經(jīng)退縮到了冒口部位