軸承座鑄造工藝方案研究及模擬

廖 瓊 王 莉 張亞才

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

軸承座是機(jī)械制造中的典型部件，我公司鑄造分廠生產(chǎn)該類鑄件已有數(shù)十年歷史，近年軸承座訂貨量仍維持較大。為了更好的生產(chǎn)該類鑄件，提高效率，降低成本，對現(xiàn)有工藝以及預(yù)改進(jìn)工藝進(jìn)行模擬比較，使其方案達(dá)到最佳，以便進(jìn)行最有效率的生產(chǎn)。

1 工藝方案

軸承座結(jié)構(gòu)如圖1所示，材質(zhì)為ZG35CrMo，最大輪廓尺寸約為1 560 mm×95 mm×915 mm，重約4 374 kg。其力學(xué)性能滿足：RP0.2≥510 MPa，Rm為(740～880)MPa，A≥12%，20℃沖擊功AKV≥27 J。鑄造技術(shù)條件按通用技術(shù)條件DIN EN 1559-1，內(nèi)部狀況按SN 200-2，檢驗等級1，質(zhì)量等級V3，外部狀況按DIN EN 1369/DIN EN 1371-1，質(zhì)量等級S3。

圖1 軸承座結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Bearing chock diagrammatic drawing

根據(jù)我廠廠標(biāo)《鑄鋼件工藝設(shè)計規(guī)范》有關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合軸承座的生產(chǎn)經(jīng)驗來設(shè)計工藝參數(shù)[1]：

鑄件孔徑向線收縮率：1.7%；

機(jī)械加工余量：上面和孔面為16 mm，下面和側(cè)面為13 mm；

工藝補(bǔ)正量：+5 mm；

澆注溫度：1 555～1 565℃。

用CAXA軟件對鑄件進(jìn)行建模，并在相應(yīng)位置添加冒口與冷鐵，分別見兩個方案的三維模型示意圖，如圖2所示。然后將鑄件、冒口、冷鐵分別保存為*.stl格式文件。

1.1 冒口設(shè)計

鑄件冒口的設(shè)計是保證鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵，冒口的參數(shù)應(yīng)以保證鑄件澆注后能使鑄件獲得充分的補(bǔ)縮為前提，冒口內(nèi)鋼水的補(bǔ)縮效率越高越好。對于此軸承座的鑄造工藝方案主要考慮鑄件冒口設(shè)置的區(qū)別。其冒口設(shè)置方案主要有以下兩種：1)方案一：平澆，在同一側(cè)的大熱節(jié)上放置一個冒口，共放置2個冒口，如圖2a)所示；2)方案二：立澆，將整個鑄件所有熱節(jié)由一個冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，整個放置1個大冒口，如圖2b)所示。對這兩種方案進(jìn)行模擬計算，比較鑄件內(nèi)部質(zhì)量及收得率，選取最優(yōu)方案。

冒口的設(shè)計是按照冒口寬度D與該處最大熱節(jié)圓直徑d的關(guān)系來確定的，其公式為：

(a)方案一 (b)方案二圖2 鑄造方案示意圖Figure 2 Casting technique program diagrammatic drawing

為了保證冒口的延續(xù)度，將冒口長度增加約一個半徑的長度。即總長度為1.5D。其高度H=(0.7～0.9)D

同時，為了保證冒口對鑄件有良好的補(bǔ)縮能力,在冒口周圍撞一層保溫材料，在冒口上表面要覆蓋發(fā)熱劑和保溫劑。

在滿足冒口最終凝固條件的同時，還應(yīng)保證冒口有足夠的鋼水量對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。用熱節(jié)圓法計算的冒口尺寸只說明冒口晚于鑄件凝固、冒口下沒有縮孔，不能說明冒口是否足夠補(bǔ)縮整個鑄件，因此需用鑄件所需補(bǔ)給量法驗算冒口尺寸。其判斷依據(jù)為G計算≥G實際；已知鑄件的實際毛重G實際=5 800 kg，冒口可補(bǔ)縮的鑄件最大重量計算值G計算按下式計算[2]：

式中G冒——冒口的重量；

η——冒口的補(bǔ)縮效率；

s——鋼液的凝固收縮值。

其中G冒a=4 200 kg，G冒b=3 500 kg，η=14%，s=5%，經(jīng)計算G計算a=7 560 kg，G計算b=6 300 kg。因此滿足判據(jù)G計算≥G實際，說明冒口足以補(bǔ)縮整個鑄件。

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)以使鋼液在較短的時間內(nèi)平穩(wěn)、快速地流入型腔為原則，同時還要采取必要措施來防止氧化和減少收縮。因而整個澆注系統(tǒng)按照開放的原則來確定各部分的尺寸和數(shù)量。包孔直徑60 mm，為使鋼水流動平穩(wěn)、暢通、快速，需保證一定的比例關(guān)系，確定的各部數(shù)量和尺寸如下：

直澆道?100 mm、橫澆道?100 mm、內(nèi)澆道?40 mm×6。

2 MAGMA模擬分析

MAGMA是一套基于有限差分原理編制的用于模擬鑄造充型凝固過程的計算機(jī)數(shù)值仿真軟件，分為前處理、網(wǎng)格劃分、模擬計算、后處理幾個模塊。在前處理中，從下拉菜單“File”中選擇“Load SLA”，按照工藝方案導(dǎo)入工藝各組成部分的*.stl格式文件。在圖中建一個立方體代替砂箱，對于每個部分選擇相應(yīng)類別(cast、feeder、chill等)以便以不同顏色區(qū)分各部分。根據(jù)“重迭原則”，最后建的體積有最高的優(yōu)先度可以占據(jù)與它重迭的體積空間。因此，將導(dǎo)入的文件以及砂箱按照砂箱、冒口、冷鐵、鑄件的順序排列。前處理準(zhǔn)備完成，檢查無誤后保存退出。進(jìn)入網(wǎng)格劃分模塊，根據(jù)鑄件大小以及模擬經(jīng)驗，選定劃分網(wǎng)格數(shù)為20 000 000，生成網(wǎng)格。完成網(wǎng)格劃分后按照重力鑄造過程對鑄件材料、熱傳導(dǎo)系數(shù)、凝固以及執(zhí)行模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后對凝固過程進(jìn)行計算。運(yùn)算結(jié)束后進(jìn)入后處理模塊，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和輸出。

根據(jù)NIYAMA判據(jù)[3]分析該鑄件可能存在的縮孔疏松等缺陷。

方案一：NIYAMA判據(jù)，顯示結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，圖3(c)所示為去除冒口后從澆注方向俯視圖，冒口下以及軸承座孔中心部位鑄件表面質(zhì)量均較好，基本不會產(chǎn)生缺陷。

方案二：NIYAMA判據(jù)，顯示結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在軸承座孔中心底部產(chǎn)生缺陷的可能性較大，且從圖4(d)對應(yīng)的截面為孔下部支撐部位，可以看出多處有可能產(chǎn)生缺陷。

圖3 方案一NIYAMA分析結(jié)果Figure 3 NIYAMA analog result for first program

圖4 方案二NIYAMA分析結(jié)果Figure 4 NIYAMA analog result for second program

3 結(jié)論

通過對軸承座的兩種鑄造方案進(jìn)行模擬，可以看出方案二的工藝方案雖然可以提高冒口的補(bǔ)縮效率，卻使鑄件容易產(chǎn)生缺陷，因此該工藝方案不能應(yīng)用于實際生產(chǎn)。而方案一的模擬結(jié)果較好，基本不會產(chǎn)生鑄造缺陷。因此選用方案一的鑄造工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)。采用此工藝生產(chǎn)的鑄件探傷符合圖紙要求。

[1] 黎雅茹，田濤，張亞才.鑄造工藝設(shè)計規(guī)范.2007(6)：32-40.

[2] 郭明偉，周維海，趙林，等.三峽水輪機(jī)不銹鋼葉片的鑄造[J].大型鑄鍛件，2005(2)：1-3.

[3] 賈寶仟，柳百成.鑄件縮松縮孔判據(jù)G/R1/2的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用[J].鑄造，1996(4)：13-15.