大型挂舵臂铸钢件铸造工艺优化

大型挂舵臂铸钢件铸造工艺优化张可锋，杨涤心，谢敬佩，王爱琴，王文焱,李洛利（河南科技大学材料科学与工程学院，洛阳 471003）摘要：利用华铸软件对大型挂舵臂铸钢件进行了温度场的凝固模拟，预测了缩孔、缩松缺陷产生的部位，并且解释了形成机理，在此基础上对其铸造工艺进行了优化，通过对模拟结果进行分析，结果表明：合理设置保温冒口、冷铁的大小和位置，可以保证铸件顺序凝固，并且延长金属液的有效补缩距离，获得符合国际标准的挂舵臂铸钢件。关键字：挂舵臂 凝固模拟 缩孔缩松 工艺优化中图分类号： 文献标识码：Technological optimization for heavy rudder arm steel castingsZHANG Ke-feng,YANG Di-xin,XIE Jing-pei,WANG Ai-qin,WANG Wen-yan,LI Luo-li(Institute of Material Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luo yang, Henan 471003)Abstract：The temperature field of the solidification simulation for the heavy rudder arm steel castings has been made with HUA ZHU CAE/Inte-CAST8.0 software, the position of shrinkage cavity and porosity of are predicted and the causing of mechanic are interpreted. Based on this，the design of these castings has been optimized by analyzing the simulation result. the result shows that the size and placement of the insulated riser and iron chill are intercalated reasonably could promise castings direct solidification and feeding direction of metal liquid is lengthened.？ So high quality rudder arm steel castings which according to international standard could be achieve。Key Words：rudder arm； solidification simulation；shrinkage；process optimization船舶挂舵臂是支撑、吊挂舵结构的关键件，并且承受较大的载荷，挂舵臂的性能和质量在船舶的使用过程中起到非常重要的作用，其质量的好坏直接关系到整艘船舶下水点和建造质量，挂舵臂一般使用铸造低碳钢，在相图中位于包晶区，其凝固特性决定了铸件易形成显微缩松1，只要挂舵臂存在有微量的缩孔、缩松、裂纹、夹杂等缺陷，都可能给船舶的运行带来巨大的危险。挂舵臂铸钢件大都为小批量生产，铸件重量大（单件重量80157吨），耗用钢水材料多，显然，进行反复试浇不合理，而传统的铸造工艺往往只是凭借铸造工艺人员的实际经验进行，常常需要反复试浇，进行超声波探伤和磁粉探伤等鉴定和分析2，才能得到一个合理、优化的铸造工艺方案。而利用凝固过程的数值模拟技术，对凝固过程的温度场进行模拟计算处理，预测铸件中可能出现的缩孔、缩松位置，对初始工艺方案进行改进，制定出合理的工艺方案，缩短试制周期，降低成本，从而取得明显的经济效益。1. 挂舵臂初始工艺此挂舵臂的外型轮廓尺寸为762918605639,重量为82，材质为：，化学成分（质量分数%）：0.180.23、：0.890.92、：0.400.60、：0.01、0.025、0.20、0.50、0.20、0.30。传统的制作工艺如下：1）采用阶梯式浇注系统。三层阶梯浇道，其具体尺寸如下：采用4140直浇口，分别布置在大、小端头的两端，横浇口采用40120过渡，长向上将直浇口接通，横向上仅需将底层直浇口接通，内浇口三层，每侧均布6道100，上层在分型面下300处，下层平行于底部轮廓高出约100。2）分型面选择：分型面在小舵轴孔中心线540处。3）浇注温度：浇注温度为1560。4）采用立浇工艺，即把铸件实体从平躺状态翻转90，成为侧立状态浇注。5）冒口设置：该挂舵臂热节（厚大部位）主要在两个加工轴孔及筒体与侧向伸出部分交接处。根据热节大小及补缩距离计算，在大头舵轴孔上处设置1900明冒口，浇高为：1600，在小头轴孔处设置1900的明冒口，浇高为：1920，冒口沿筒体长度方向，以大头舵轴孔内表面为基准，设置四排明冒口，其间距分别为：940；1250；1100；1910。大小分别为2400；2400；2500；2500。400和500的浇高分别为：310和440，900的明冒口用厚度为55的保温冒口套，400和500的明冒口保温套厚度分别为：65和70。36）生产实际说明，挂舵臂的热节出现在壁和舵轴孔的联接处、壁的厚大部位和筋板的根部。解决挂舵壁轴孔处的缩孔、缩松是最困难的问题。2.工艺模型利用三维造型软件Solidworks将初始工艺图转化为三维图，形成工艺模型如图（1）所示。 图1工艺模型 Fig.1 Technical model3.温度场模拟将工艺模型数据格式转化为格式，利用华铸软件对其进行凝固过程的温度模拟，预测铸造缺陷，优化工艺1.4。3.1温度场初始化首先对工艺模型进行均匀网格剖分，确定最佳剖分网格的大小的原则是温度场计算保证最薄处有两个或两个以上网格，避免出现完全线接触网格，挂舵臂铸件最薄处为56，取网格大小28，网格剖分结果如图2所示。图2网格剖分Fig.2 Mesh subdivision温度场初始化物性参数设置如表1所示，温度场基础参数为：铸件材质：，潜热62cal/g，环境温度为25，液相线温度1509，固相线温度1461，合金凝固系数1.3，辐射系数0.375，粘度0.06cm2/s。5表1 温度场初始化物性参数Table1 Property parameter of initialized temperature field物性参数铸件铸型冒口套空气密度(g.cm-3)7.61.550.80.0012热容(Cal.g-1.-1)0.1980.260.150.24导热系数（Cal.cm-1.s-1.-1)0.0530.00190.00080.013初始温度(2边界条件的确定砂型铸造的界面参数如下：铸件/铸型0.023 铸型/保温套0.001铸件/空气0.023 铸型/空气0.023铸件的临界固相率是0.65，与此固相率所对应的温度成为临界温度。临界温度指金属液失去了流动的温度，尽管失去了流动性，此温度还远远大于固相线温度，其指？与铸钢的种类有关，一般取液、固线？温度差的6575，临界固相线温度，所以其值为1475，如果低于此温度，则认为铸件已经凝固。1.73.3缩孔、缩松的形成机理及判据大型挂舵臂铸钢件在从浇注温度冷却到室温的过程中，要经历三个互相联系的收缩阶段，即液态收缩、凝固收缩、固态收缩，其中液态收缩和凝固收缩是形成缩孔、缩松的主要原因。大型挂舵臂铸钢件，由于收缩量大，往往学要？多次浇注即需多次补浇，当补缩通道畅通，树枝状晶体没有形成骨架时，体积收缩表现为缩孔（一次缩孔和二次缩孔）且位于铸件可流动单元的上部；而当树枝状晶体形成骨架时，宏观补缩通道被堵塞，这时被树枝状晶体分割包围的液体部分表现为缩松（树枝状晶体范围内）。在华铸软件中，缩松缺陷预测主要使用判据，即判据，就能够较准确地预测初？铸件缩松的位置。当铸件单元的判据小于某一临界值时，该单元便是可能出现缩松的单元，所用可能出现缩松单元的集合就表示了缩松的分布范围。对于中大型铸钢件，临界值在2.03.0之间。64模拟结果分析温度场的模拟基于“瞬间冲型，初温均布”假设，即没有考虑充型的影响。图2分别显示的是凝固阶段不同时刻的液相分布图（绿色为固相，红色为液相）。图3(a)是刚开始凝固0s的凝固状态,表示钢液刚充满型腔时的状态，图3(b)可以看出铸件先从铸件底部和小头端开始凝固。图3(c)可以进一部？看出铸件从小头端向大头端凝固，并且可以看出大头端也有少部分开始凝固。图3(d)可以看出铸件脊梁处和底部已经出现孤立的液相区，这可能是由于补缩通道不畅通造成的。图3(e)看出这种情况进一步加剧，在筋板处可能出现大面积的缩孔、缩松危险区，存在严重的缩孔、缩松倾向，为解决这一问题，需要在原工艺此处？放置冷铁，加速此处的冷却速度。在以往的生产中，铸件确实出现过这种情况，实际生产与模拟结果比较吻合。 (a)凝固时间为0秒 (b)凝固时间为3247s (c)凝固时间为5187s (d)凝固时间为6979s (e)凝固时间为7464s (f)凝固时间为10935s图3 原始工艺的凝固过程照片Fig.2 Solidification picture of primordial technology5优化后的工艺方案根据实际生产情况和模拟结果分析，认为缺陷是由于树枝状晶体形成骨架时，宏观补缩通道被堵塞，这是树枝状晶体分割包围的液体部分形成微观缩松，而铸件的大小和形状又决定了补便于？增加冒口数量来进行补缩，从模拟结果可以看出两块筋板处有孤立液相区存在，可以考虑设置冷铁，造成激冷的趋势，改变此处的温度梯度，从而实现和加强铸件的顺序凝固以提高冒口的补缩距离。在两快？筋板下部分别设置外冷铁，厚度为40，最薄边缘处40，边缘到中心倒角100/250，为了操作方便，把冷铁切成4000090000大小的冷铁，间隙控制在10以内。形状和板筋相同，材质和铸件一致，并且钢冷铁的蓄热能力大，可吸收较多的能量，并且激冷能力强。工艺优化后，挂舵臂凝固过程液相分布如图4所示，此时凝固已经接近结束，铸件已经全部凝固，冒口内还有液体存在，能够有效的补缩铸件，可以实现从铸件到冒口的顺序凝固，说明通过加设内冷铁，提高了冒口的补缩能力，中信公司？采用优化后的工艺，得到了没有缩松、缩孔的？缺陷的优质铸件，并且对铸件进行超声波探伤和磁粉探伤，都满足外商的质检要求。图4工艺优化后的凝固照片（凝固时间为10304.79秒）Fig.4 Solidification picture of majorized technology6结论（1）通过对挂舵臂初始工艺的模拟和分析，合理设置冒口的大小和位置，还有冷铁的形状和材质，优化铸造工艺，保证铸件顺序凝固和金属液的有效补缩，获得组织细密，性能优良，符合图纸和商检要求的优质铸钢件。（2）利用华铸软件对大型挂舵臂铸钢件进行了凝固模拟、？分析、？减少了对传统工艺的依赖，并且缩短了研发周期，降低生产成本，使复杂铸件的铸造工艺设计更为科学化。参考文献1王爱琴，谢敬佩，王文焱，等.大型磨盘铸钢件计算机工艺优化.热加工工艺，2002（2）:57582 韩红民。大型铸钢件超声波探伤方法浅析.矿山机械，2005(7)：1103 刘珏荣，张龙，等。挂舵臂的铸造工艺.铸造，2002(4)：2512524 马宏.数值凝固模拟在大型铸钢件生产中的应用.大型铸锻件，1999（4）：6105 王向群，刘瑞祥，陈立亮，等.铸造CAE热物性参数库的设计与开发.中国铸造装备与技术，2004(1)：18206 崔吉顺，李文珍.铸件缩孔缩松多种预测判据的应用。清华大学学报，2001(8)：587 冯伟明 柳百成.凝固模拟软件在大型铸钢件上的应用研究。新技术新工艺，2002(3)：8108 荆涛，刘祥德.三维大型铸钢件铸造工艺的CAD/CAE.大型铸锻件，1999（3）：