支座凝固模擬及鑄造工藝輔助設(shè)計(jì)

劉艷明，張江峰，張安義

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.西安航空動(dòng)力控制有限公司，陜西 西安 710077）

支座做為支撐結(jié)構(gòu)在機(jī)械行業(yè)廣泛使用，在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中往往要反復(fù)試驗(yàn)才能確定最佳工藝。利用模擬軟件anycasting進(jìn)行凝固模擬，確定出凝固進(jìn)程，找出熱節(jié)部位[1]，最終確定了合理的澆冒系統(tǒng)，從而縮短了工藝進(jìn)程[2-3]。

1 支座結(jié)構(gòu)分析

支座的材料為ZG70C r 29，其外形如圖1所示，輪廓尺寸為160mm×100mm×135mm，平均壁厚18mm，最大壁厚20mm，屬于中小型鑄件；結(jié)構(gòu)對(duì)稱，形狀比較簡(jiǎn)單，壁厚大體均勻，綜合考慮各生產(chǎn)要素，選用成本較低的砂型鑄造。

2 鑄造凝固模擬輔助設(shè)計(jì)

2.1 鑄件凝固模擬

對(duì)未做工藝的鑄件進(jìn)行凝固模擬，目的是為了預(yù)測(cè)熱節(jié)和凝固順序，為后續(xù)工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。在Pro/E中繪制好三維零件圖，設(shè)置合適的弦高并以STL的格式保存，導(dǎo)入到前處理模擬軟件中，對(duì)鑄件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格步長(zhǎng)2mm×2mm×2mm，總網(wǎng)格數(shù)為67.5萬(wàn)。鑄型材料為呋喃樹(shù)脂，鑄型初始溫度為25℃，由于鑄鋼流動(dòng)性差，所以澆注溫度不能太低，設(shè)定為1560℃，砂型與周圍環(huán)境的換熱系數(shù)為1450W/m，并設(shè)置好其他相關(guān)參數(shù)。隨后進(jìn)行求解后處理，可以直觀地看到鑄件的凝固過(guò)程，通過(guò)模擬預(yù)測(cè)出凝固進(jìn)程，從而可以科學(xué)合理地設(shè)計(jì)澆冒系統(tǒng)。

圖1 支座外形圖

2.2 帶澆注系統(tǒng)的凝固模擬

通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)兩壁與底板的連接處凝固時(shí)間較晚，這是由于相互交叉比較厚大，散熱速度比較慢，不能得到液態(tài)金屬的有效補(bǔ)縮，可能會(huì)生成縮松、縮孔。為此采用底注式澆注，將內(nèi)澆道與底板直接相連，使得底板的熱節(jié)轉(zhuǎn)移到澆注系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)縮孔能起到一定的補(bǔ)縮作用。在底板上再設(shè)置一塊冷鐵，尺寸為30mm×30mm×10mm，以進(jìn)一步加快散熱，縮短凝固時(shí)間。底注式澆注時(shí)金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)鑄型沖擊小，卷氣和飛濺較小，也有利于提高鑄件質(zhì)量。支座的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，兩個(gè)內(nèi)澆道，兩個(gè)橫澆道，兩個(gè)直澆道，各澆道尺寸見(jiàn)表1。為了簡(jiǎn)化鑄造工藝，鑄件兩側(cè)的圓孔在鑄造完畢后，用機(jī)加工的方法加工出來(lái)。將三維零件圖以STL格式導(dǎo)入模擬軟件，然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格步長(zhǎng)2mm×2mm×2mm，總網(wǎng)格數(shù)為70萬(wàn)。然后進(jìn)行模擬計(jì)算，凝固模擬如圖3所示。

圖2 支座澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

表1 各澆道尺寸澆道 （mm）

圖3 底注式澆注系統(tǒng)的凝固順序

從鑄件的凝固順序圖中可以看出，鑄件兩個(gè)澆道設(shè)置使得熱量分布相對(duì)均勻，鑄件最后凝固的部位為通孔的部位，可以看到此時(shí)該部位還未完全凝固，出現(xiàn)了一個(gè)孔狀的熔融金屬區(qū)域，原因是此處有加強(qiáng)肋，增加了壁厚，降低了散熱速度，所以為最后凝固的部位，得不到其他區(qū)域的金屬液補(bǔ)縮，可能會(huì)產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷。為此在兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)側(cè)冒口，這樣冒口的壁厚大于側(cè)壁，側(cè)壁基本不會(huì)出現(xiàn)熱節(jié)，使得最后凝固部位轉(zhuǎn)移到冒口中，凝固缺陷也轉(zhuǎn)移在冒口中。

2.3 帶有冒口的澆注系統(tǒng)的凝固模擬

兩壁處各設(shè)置一個(gè)冒口，尺寸為高65mm，直徑40mm.以防止產(chǎn)生縮孔縮松等鑄造缺陷。側(cè)壁兩內(nèi)側(cè)各設(shè)置一內(nèi)冷鐵，尺寸為：30mm×25mm×10mm，以加快側(cè)壁散熱，縮短凝固時(shí)間，這樣就使得側(cè)壁先于冒口凝固，形成合理的凝固順序和補(bǔ)縮通道[4-5]，設(shè)計(jì)如圖4所示。

將設(shè)計(jì)了冒口的澆注系統(tǒng)的三維工藝圖進(jìn)行凝固模擬，發(fā)現(xiàn)整個(gè)鑄件的凝固次序有了明顯變化，側(cè)壁凝固溫度大大降低，最后凝固區(qū)域基本轉(zhuǎn)移到冒口當(dāng)中，表明鑄造工藝設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的。其凝固順序見(jiàn)圖5.

圖4 澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 帶冒口的澆注系統(tǒng)的凝固順序

3 結(jié) 論

1）凝固模擬可以預(yù)測(cè)出凝固熱節(jié)及最后凝固部位，從而為合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)、冒口提供了有力指導(dǎo)。

2）鑄件凝固過(guò)程數(shù)值模擬可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)虛擬鑄造凝固，能夠直觀地反應(yīng)出鑄件的整個(gè)凝固過(guò)程，大大降低了生產(chǎn)成本，縮短了工藝試制周期。

3）合理設(shè)計(jì)澆冒系統(tǒng)可以有效改變凝固順序，將最后凝固的部位轉(zhuǎn)移到冒口當(dāng)中，提高產(chǎn)品合格率。

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［2］柳百成，荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］黃列群，沈永化，潘杰.鑄件凝固數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)電工程，1997（5）：56-58.

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