【《灰铁机床底座铸造工艺的模拟分析案例》3100字】

目录TOC\o"1-3"\h\u21375 1107281.1模型导入及网格划分 1253911.2铸造参数设定及模拟 1286111.2.1铸造参数设定 158871.2.2模拟结果及分析 260981.3工艺改善 3229021.3冒口的设计与计算 343851.3.1冒口的种类 4229221.4.2冒口的形状尺寸的确定 4170261.4冷铁的初步设计与计算 5203981.4.1冷铁的选择 5255661.4.2冷铁的位置设计 6308211.4.3冷铁的大小设计 6314861.5优化结果与分析 7本次铸造工艺采用ProCAST铸件成型过程数值仿真模拟软件对砂型铸造的充型过程的速度场、凝固过程的温度场和凝固场及最终缺陷的产生进行模拟，对结果进行分析，并且实现优化工艺的目的。1.1模型导入及网格划分本次工艺中采用Solidworks三维建模软件进行三维实体的绘制，导入ProCAST中mesh部分进行面网格和体网格划分。1.2铸造参数设定及模拟1.2.1铸造参数设定浇注时主要参数有：浇注温度、浇注时间、各部分材料以及换热系数。模拟中浇注温度为1420℃，浇注时间为72.1s，铸件为HT300，砂型为呋喃树脂砂，冷铁为石墨冷铁。换热系数根据铸造工艺仿真ProCAST[4]可知换热系数如表5-1所示。表5-1换热系数接触面类型换热系数[W/（m²·K）]金属-金属1000~1500金属-砂300~1000砂-砂200~300固体-空气5~10固体-冷空气100~1000固体-水3000~5000故砂型和铸件之间热交换系数取500W/（m2·K），砂型和冷铁之间取500W/（m2·K），铸件与冷铁之间取2000W/（m2·K）。1.2.2模拟结果及分析缺陷分析主要以缩孔和缩松分析为主，主要是确认工艺中缺陷分布、大小、是否易于消除等方面，来确定本次底座的初步铸造工艺。铸造方案一、初步进行的模拟结果如图5-1、5-2所示。缩松经常分散在底座铸件壁厚的轴线区域和一些厚度较大的部位，包括冒口根部和内浇口附近也有。由于缩松分布较广且细小，当其隐藏于铸件的内部，外观上不易被发现。图5-1方案一铸件图图5-2方案一模拟结果从图5-2可以清晰的看出铸件出现了严重的浇不足现象，在铁液浇注了68.0％就已经凝固完毕，对于这时铁液过早凝固产生的浇不足现象可以分析产生此次问题的可能的原因是：（1）没有设置出气孔和冒口，导致铸型中的气体难以排出，阻挡铁液进入铸型；（2）浇注时间过长导致金属液在铸型中提前凝固，堵塞了铁液的进入。1.3工艺改善针对本次模拟出现的问题进行工艺改善，主要可以分为三个方面：第一是通过开设冒口，消除铸件收缩缺陷；第二是增加出气孔，排除型腔以及砂芯中的气体，改善金属液充型能力；第三是通过控制浇注时铸件在型腔中的凝固顺序，实现关键部位先行凝固，从而得到补缩，消除关键部位的缺陷。本次铸件为HT300制作的底座，体积较大，中间部位有较多空腔，产生了一些薄壁和厚大部位，铁液的流动和凝固收缩会受到影响，在分析模拟结果以后，初步决定添加冒口来对铸件的中间厚大部位进行补缩和对铸件的四个脚处添加冷铁来使铸件自下而上实现顺序凝固。1.3冒口的设计与计算从模拟结果看，铸件顶部产生较大塌陷，内部出现集中缩松区域，故对浇注系统添加补缩系统，提高铸件的致密性。本次设计冒口的主要作用是贮存灰铸铁铁液，对底座铸件进行补缩，此外，还有出气和集渣的作用。为了实现这样的目的，设计冒口应遵照以下原则：1)冒口的凝固时间应大于铸件被补缩部位的凝固时间；2)冒口能提供足够的补缩金属液；3)在整个补缩过程中，冒口与铸件被补缩部位存在补缩通道；4)有足够的补缩压力，使补缩金属液能够流到要求补缩的区域。冒口设计的主要内容是：选择冒口形状以及安放位置、确定冒口数量、计算冒口的尺寸、校核冒口的补缩能力。1.3.1冒口的种类根据此次模拟结果，容易看出底座铸件顶部又大量的缩孔和塌陷，所以选择在铸件的中心添加明顶冒口进行补缩。因此在这里简单介绍明顶冒口的一些内容。明顶冒口是冒口的一种。采用明顶冒口一般位于底座铸件最厚部位的顶部，这样可以利用铁液的重力进行补缩，提高冒口的补缩效果，而且有利于排气和浮渣。采用顶明冒口，造型方便，能观察到铸型中金属液上升情况，便于向冒口中补浇金属液，可以向冒口顶面撒发热剂以减缓冒口冷却速度，分析模拟结果，铸件顶部有塌陷和大量的缩孔，故在铸件的中心添加明顶冒口进行补缩。1.4.2冒口的形状尺寸的确定冒口形状会影响到其补缩结果，本次冒口的形状决定在法兰处使用圆柱形明顶冒口。主要是为了降低冒口散热速度，延长冒口的凝固时间，而且尽可能地减少了冒口的表面积。具体设计如图5-3、图5-4、图5-5分别为铸件厚大部位、热节圆确定冒口尺寸、冒口尺寸图。图5-3铸件厚大部位图5-4根据热节圆确定冒口尺寸图5-5冒口尺寸图1.4冷铁的初步设计与计算1.4.1冷铁的选择根据上述模拟结果分析，除了设置冒口以外，还可以设置冷铁进行补缩。而冷铁作为一种激冷的材料，可以增加本次铸造的底座铸件的局部冷却速度。由于本次设置用的是外冷铁，所以对冷铁分类和内冷铁的一些内容不做介绍，只对外冷铁的设置简单介绍。造型（制芯）时置于模样（芯盒）表面、浇注时只作用于铸件表面的激冷块为外冷铁，由于内冷铁可能会带来降低铸件力学性能，甚至引起裂纹，因此，只有在外冷铁激冷作用不足时才考虑使用，初步设计冷铁仅设置外冷铁。灰铸铁的外冷铁对底座铸件的缩孔、缩松倾向性小，线收缩也小，所以很少采用冷铁控制其凝固过程，只是适当增加厚度较大部位的冷却速度。但是当相邻铸壁的厚度相差悬殊时，经常在厚壁处及厚薄壁的过渡转角处采用冷铁进行均衡凝固控制，减少铸造缺陷。对表面层要求有一定的致密度或硬度的铸件，也常采用冷铁进行控制。直接外冷铁容易引起灰铸铁铸件表面产生白口层或过冷石墨层，也可能由于激冷过大引起铸件产生裂纹。冷铁材质一般采用铸铁，也可以采用蓄热系数较大的非金属材料，如石墨、碳素砂等。本次方案中选择铸铁作为冷铁。1.4.2冷铁的位置设计根据初步模拟结果的分析，冷铁设计的位置设置在底座的四个脚上，如图5-6所示。因为该处在浇注时处于铸件底部，此处设置冷铁可以改善铸件件的凝固顺序，使得铸件产生一个自下而上的顺序凝固，铸件下部先开始凝固，然后在重力的作用下得到补缩，形成致密的组织，保证铸件探伤部位的质量，同时使得该处金属液受到激冷的作用，减少缺陷的形成，细化晶粒，优化机械性能。冷铁尺寸和计算方法如图5-7、图5-8所示。图5-6冷铁在铸件上的位置1.4.3冷铁的大小设计图5-7铸铁件外冷铁尺寸的计算方法图5-8冷铁示意图1.5优化结果与分析按照5-4、5-5节中工艺优化分析后的改进铸造工艺，对其进行模拟优化结果1如图图5-9、图5-10、图5-11所示：图5-9方案二铸件图图5-10方案二温度分布图图5-11方案二缺陷分布图方案二中通过计算添加了冒口，铸件的浇不足已经基本消除，但铸件顶部左右两处的厚大部位依然存在缩孔缩松，从温度图中可以看出冒口是最后凝固部位，起到了一定的效果，但不足以消除全部缺陷。铸件的四个脚处存在部分厚大部位，产生了部分缩孔缩松，影响的铸件质量。铸件冒口下面的缺陷依然存在，初步猜测是由于冒口大小不足以进行完全的补缩造成的，所以决定对冒口进行扩大以实现更加良好的补缩。对铸件底部添加冷铁使其可以自下而上的进行顺序凝固，实现良好的自补缩，提高铸件质量。经过以上考虑，进行如图所示的方案三进行再次模拟：图5-12方案三铸件图图5-13方案三温度分布图图5-14方案四缺陷分布图根据图5-13、图5-14中改进后工艺的温度分布图和缺陷分布的结果发现，铸造质量有了较大改善。其中，从温度分布图中可以看出铸件实现了自上而下的顺序凝固，这样铸件可以进行良好的自补缩。从缺陷图中可以看出，加了冒口之后，消除了顶部凝固时出现的大块的缩孔；对比未改进工艺时缩松缩孔等缺陷，缺陷有了一定程度的改善，铸件顶部的缺陷也已经消除。在铸件四个脚的底部设置冷铁，可加快其周围的铁液凝固速度，减少裂纹的产生。