铸件数值模拟技术在铸造工艺中的应用

铸件数值模拟技术在铸造工艺中的应用

近年来，随着科学技术的快速发展，铸造银行凝固数值模拟技术在铸造领域得到了广泛应用。它以铸造工艺和硬化工艺的数值模拟技术为核心，分析了铸造工艺的设计。预测了钛条件收缩的缺点，改进和优化了工艺，缩短了产品的试验周期，降低了样品的浪费率，保持了工艺设计水平的稳定性。本公司运用华铸CAE/InteCAST铸造工艺分析软件近四年的时间,对两百余种不同的铸件做过六百多次模拟分析,改进和优化了许多老产品铸件的工艺,铸钢件废品率稳定在3%以下,大量的新产品则一次性浇注成功,最大限度地保证了铸件质量。本文介绍几个生产中的成功实例,说明“华铸CAE”软件在铸钢件补缩系统设计方面的应用效果。1扶手收缩、空气和裂缝缺陷的去除1.1原铸造工艺及缺陷杠杆体属于通用件,同时用于RM80清筛机、QPJ-450抛碴机以及D09-32捣固车等不同车型的提轨装置中,承担着主要的作业任务。该件质量要求较高,主要受力部位不得有气孔、缩孔、裂纹及夹杂等铸造缺陷,一旦出现问题,将影响多种机型的装机使用。杠杆体单件毛重40kg,属中等壁厚小型铸钢件,原铸造工艺见图1。由于两柱台较长,原工艺在ø80mm×190mm柱台上端面放冒口补缩,内置冷铁激冷,在ø135mm圆筒平台上端面放冒口补缩,在ø50mm×100mm柱台放内冷铁,生产中常见的问题有以下几点。(1)加工ø50mm柱台时,内孔出现裂纹缩松缺陷,造成批量废品。(2)加工ø80mm柱台时,内孔出现气孔,端面有裂纹。(3)铣ø135mm圆筒外侧55mm×80mm平台矩形槽时出现缩孔。(4)悬臂拐角处缩松。1.2原工艺设计模拟分3个模块。(1)处理前处理赋予STL文件材质属性及优先级别选择,设置网格剖分参数,进行网格剖分。(2)计算和分析由于杠杆体属于中等壁厚小型铸钢件,因此选择速度较快的纯凝固计算方式。(3)模拟结果分析计算结束后,涉及到缩孔、缩松的原始数据主要是*.tem和*.dfc两类文件。前者是温度文件,可显示不同时刻的液相分布情况;后者是重力补缩缺陷文件,可对缩孔缩松作直观的定量描述。以下分两个步骤分析模拟结果。第1步,液相分布。通过液相分布情况及孤立液相区,可判断补缩通道是否畅通,预测缩孔、缩松可能出现的区域。杠杆体凝固过程共产生106帧图,当系统计算至第6帧、第41帧、第65帧图时,分别在ø50mm柱台、悬臂拐角和ø80mm柱台出现孤立液相。图2的孤立液相区显示,冒口的补缩通道先于ø50mm、ø80mm柱台和悬臂拐角凝固,补缩通道被隔断,导致各孤立液相区最终产生缺陷。第2步,缩孔形成。图3是最后一帧*.dfc缩孔形成图,图中红色为缩松区,黑色为缩孔区。该图显示,孤立液相区最终形成了较大面积的缩松,与实际生产中缺陷出现的部位相吻合。1.3内冷铁周围缺陷(1)原工艺内冷铁未能消除两柱台热节部位的缩松,反而因内冷铁设计处理不当或与铸件熔合不良,导致内冷铁周围产生气孔、缩松和微裂纹。(2)原工艺在悬臂拐角处未有补缩措施,致使拐角处产生孤立液相形成缩松。1.4mm柱台侧冒口的改造经过对多个方案的模拟对比,得出最终的优化方案,如图4。(1)取消两柱台内冷铁。(2)在ø135mm圆筒外侧55mm×80mm平台处增设一个侧冒口,并在圆筒内孔增加补贴,以打通矩形凸台与ø50mm柱台间的补缩通道。(3)将ø80mm柱台顶冒口改为侧冒口,避免因补缩通道太长而产生孤立液相。(4)在两柱台下方以及悬臂拐角处设置外冷铁。1.5无孤立液相区对改进工艺模拟,将*.tem文件进行批处理,做成动画,未发现有明显的孤立液相区。当系统计算至第6帧、第41帧、第65帧图时,ø50mm柱台、悬臂拐角和ø80mm柱台均无孤立液相,如图5。查看*.dfc文件,主要控制区也无缩孔缩松,如图6所示。1.6批量样品的解决将优化方案交付实际生产,对两柱台进行超声波探伤,探伤合格后,完成全部加工,经检验,铸件质量合格。由此根除了杠杆体缩松、气孔及裂纹缺陷,解决了批量废品问题。图7为工艺改进前后质量对比图。2超声波探伤分动齿轮箱箱体属于AB类关键控制件,质量要求高,铸件毛坯和粗加工完成后均要进行磁粉和超声波探伤,对铸件缺陷有严格的限制。生产中的问题是:分动箱体铸件曾在液压试验中出现漏油。2.1圆形冒口和远端放冷铁(1)分动箱体重120kg,结构复杂,原工艺为卧式中间分型,上型轴孔放四只腰圆冒口,下型轴孔放两只圆形冒口,冒口远端放冷铁。经观察,渗漏发生在下型两安装臂根部,此根部明显缩陷。(2)上型安装臂没有缩松,得益于轴孔两外侧冒口的补缩,而下型轴孔两外侧不易放置冒口,只能用冷铁激冷,但却堵塞了通向安装臂的补缩通道,使安装臂成为孤立热节,导致根部缩松,使其在液压试验中漏油。2.2轴台与安装臂补缩图8为改进工艺前后的对比。(1)取消下型轴孔外侧冷铁,两外侧轴孔铸成盲孔,采用两只保温冒口并置于盲孔中心,保持轴台与安装臂补缩通道畅通,并在安装臂端头放冷铁,经模拟,该补缩方式可行。(2)由于两个冒口可同时补缩三个轴孔及两侧安装臂,与四个冒口的补缩方式相比,既节约金属又易于冒口的去除,于是将上型四只腰圆冒口改为两只圆柱形明冒口,轴孔的处理与下型相同,有效提高了铸件的工艺出品率。2.3安装臂顶部实施图9为两种工艺模拟的缩孔形成图。图中显示,改进前安装臂根部确有大面积缩松,改进后则致密。采用新工艺所生产的铸件,质量稳定,无气孔、缩松,达到模拟预期的效果。3d29-3x铸造工艺轴承箱体是捣固系列产品中的AB类件,同样是重点控制件。D08-32和D09-32机型中的轴承箱体,采取卧式分型、两肩部热节处放冒口,金属液由冒口引入,在浇口远端设置外冷铁和排渣溢流冒口工艺,见图10a。由于采用转包浇注,上端面加工后有不同程度的气渣孔缺陷,经过多次调整,始终无法克服夹渣问题。为了避免上述缺陷,D09-3X机型的轴承箱体采用立式分型、底注式浇注系统、冒口置于铸件高点的工艺,见图10b。该工艺的优点在于:(1)立式分型,重要的加工面位于侧面,加之金属液由底部引入,可平稳地将气、渣推至冒口,确保轴孔端面质量。(2)非经验性冒口设计提高了铸件的工艺出品率。根据传统经验,冒口应放在铸件的几何热节上,才符合由远及近的顺序凝固原则,但因此形成较大的接触热节,致使凝固时间延长,冒口根部铸件常发生缩孔、缩松、热裂、晶粒粗大及偏析等缺陷。而冒口放在离开几何热节的次热节处,能实现一种动态顺序凝固,既减少了冒口数量又减小其尺寸,大大提高工艺出品率。对D09-3X机型轴承箱体工艺进行模拟,图11显示,铸件充型平稳,出气排渣顺畅,充型后温度场的温度较均匀,整个凝固过程无孤立液相,查看最后一帧dfc文件,铸件无缩孔缩松。将工艺投入生产,并经机械加工后的磁粉和超声波探伤检验,铸件致密无缺陷,工艺出品率高达72%,而老机型仅有50%,实现了多快好省的目的。D09-3X机型的轴承箱体一次性浇注成功,使模拟计算达到了预期效果。4铸造材料的补缩模拟(1)凝固模拟有助于对铸件结构进行定量分析,利于判别补缩通道和非补缩通道,确定冒口的最佳作用位置,只要冒口设在补缩通道上,就能有效地对铸件进行补缩。(2)可准确显示两热节之间连接通道断流的位置,便于在断流处合理设