基于数值模拟的链轮铸钢件工艺设计

基于数值模拟的链轮铸钢件工艺设计

链轮是一项重要的机械部件，广泛应用于船舶、矿山等机械。链轮的铸造质量要求比较高,工作表面和铸件内部不能有缩孔、缩松等铸造缺陷。铸件在粗加工前后需要用磁粉探伤进行缺陷检查,可以探测到从外观看不到的微观缺陷。以前生产的链轮存在的缺陷较多,直接影响了生产及应用。对于缺陷的类型,以前没有统一的定论,因为这些缺陷大多属于微观缺陷,发生在铸件内部,难以确定是否为缩孔、缩松、成分偏析或是夹杂。用计算机模拟技术能很好地解决这个问题,不需要通过实际浇注就能对铸造工艺进行验证。结合模拟软件对链轮的设计工艺进行模拟后确定缺陷的位置,经过对改进方案再次模拟,将模拟无缺陷的工艺应用于生产,大大缩短了铸造工艺周期,提高了产品质量。1链轮内部小口径结构链轮的材质为ZG30,最大直径为625mm,高度为110mm,最薄壁厚为20.5mm,中心圆孔直径为281mm,圆孔与齿之间分布有10个19.3mm的孔,共有14个齿,这些齿的结构特殊,对机械加工要求较高。生产出的链轮内部不能存有缩孔、缩松缺陷。链轮实体如图1所示。2工艺方案2.1砂型铸造砂型链轮为铸钢件,按照设计要求齿需要铸出来,与以往的齿轮状零件铸造方法大不相同。铸件质量为92kg,链轮最厚处为110mm,最薄处为20.5mm,属于中、小型铸件。此链轮的齿面不需要精加工,故精度要求不高,在此链轮的铸造过程中,需要一个整体砂芯。本次设计中按照单件生产。结合上述的铸造方法选择原则和铸件本身要求,选用砂型铸造。此链轮的铸造过程中,选用两箱式,铸件完全位于下箱,而且砂芯为整体砂芯,另外链轮的材质为铸钢件,所以选择底注式半封闭浇注系统。2.2用短时短时浇注由于合金的熔点高,浇注温度高,钢液对砂型的热作用大,且冷却快,流动性差。所以要求用较短的时间进行浇注。铸钢体收缩大,易产生缩孔,需按顺序凝固的原则设计浇注系统,并用冒口补缩热节处。此外,铸钢件线收缩率约为铸铁的2倍,收缩时内应力大,产生热裂、变形的倾向也大。故浇冒口的设置应尽量减小对铸件收缩的阻碍。2.3防水决定3链轮值的模拟和优化3.1铸造工艺网格剖分三维造型后输出*.STL文件导入View-Cast软件中进行网格剖分,输入铸造工艺参数。浇注温度为1580℃,液相临界温度为1511.3℃,固相临界温度为1453.9℃,砂型与冷铁初始温度均设定为25℃。3.2方案模拟的缺陷分布根据以上所设定的条件和具体参数,应用View-Cast软件对铸件的凝固过程进行数值模拟。初始工艺方案模拟的缺陷分布情况如图3所示,链轮齿的外围凝固效果较好,链轮齿的工作部分没有出现缺陷,缺陷集中在链轮齿的根部,呈圆周状分布的小缩松和缩孔,分析这些缺陷的形状和位置,发现缺陷产生的主要原因是冒口的补缩效果不好,冒口的高度较高,在补缩的过程中,由于补缩通道的断开,造成冒口内的金属液分开凝固。3.3凝固过程及改进方案的确定由于冒口的补缩能力不理想,而造成了图3中的铸造缺陷,适当降低冒口的高度会降低冒口内的补缩通道断开的几率。另外,增加暗冒口的数量,以提高冒口的补缩范围,因此,改进方案将冒口数量设置为5个,高度降低为140mm,冒口直径保持不变。图4为工艺优化1的凝固过程,图中深色部分表示未凝固的金属液,透明的部分表示已经凝固的金属液,凝固开始的第48s时刻,铸件内充满待凝固的金属液;到达153s时,内浇道已经完全凝固,浇注系统已不能继续对铸件补充金属液,铸件内部要依靠冒口进行有效地补缩;在538s时刻,浇注系统已经完全凝固,铸件内的金属液仍然保持圆形联通,互相可以进行补缩,至此,铸件内保持着正的温度梯度;当凝固过程进行到648s时,温度继续降低,铸件绝大部分都已凝固,在内部出现了金属液断开现象,形成5块孤立的液相区,分别位于5个冒口的下方,表明虽然出现了孤立液相区,但是孤立的液相区有金属液的补缩,这会降低缺陷在孤立液相区产生的概率;凝固时间为788s时,孤立的液相区只出现在冒口的下方,且范围在进一步缩小,说明降低冒口的高度起到了作用,到908s时,铸件的凝固过程结束。工艺优化1的缺陷预测如图5所示,初始方案冒口下部的缺陷已经转移至冒口上方,冒口下方的缺陷消除,但在链轮的部分齿根处还是出现了缺陷,这些小缺陷与初始方案相比,数量少,范围小,改进的方案起到了作用。从凝固顺序研究改进方案,冒口最后凝固,有足够的补缩能力,起到了改进的效果,冒口设计合理;从凝固结束的缺陷来看,铸件齿根部还有少量的缩孔、缩松现象,为消除缺陷,考虑在底部添加冷铁。3.4添加冷铁的工艺改进设计中选用隔砂冷铁,冷铁工艺为间接外冷铁同被激的冷铁之间有10mm厚的砂层,安放5块冷铁。由于链轮的形状和热节的位置,故选用板状冷铁,冷铁尺寸为长75mm×宽40mm×厚20mm。添加冷铁后模拟结果如图6所示,其凝固过程基本与工艺优化1相同,只是添加冷铁后,冷铁部位及周围较快凝固,能进一步降低缺陷。从缺陷预测图7可知,铸件上还有几处比较小的缩孔、缩松缺陷,证明冷铁起到了激冷的作用,但该工艺仍未能完全消除缺陷,实现铸造零缺陷。为此,对暗冒口使用保温套,用来提高冒口补缩的持续能力。具体改进方案为:在冒口上加装标准尺寸的保温套。缺陷预测如图8所示,可以发现,采用保温暗冒口加冷铁后,已无铸造缺陷。4cast模拟分析及应用本设计是对链轮新型铸造工艺的探究,经过方案的改进和计算机模拟,最终确定了一套链轮铸造新工艺。将新工艺在投入到实际生产前,能进行模拟论证、工艺设计及其工艺优化。通过View-Cast模拟软件对其进行模拟分析,确定最终工艺方案。最终工