基于ProCAST的減速器殼體消失模鑄造工藝分析

蔡坤山，王修強(qiáng)，范曉明

（1.湖北三環(huán)鑄造股份有限公司，湖北隨州 441300；2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070）

消失模鑄造被稱為是“代表21世紀(jì)的鑄造新技術(shù)”[1，2]。采用傳統(tǒng)的試錯(cuò)法不斷改進(jìn)工藝進(jìn)行鑄造生產(chǎn)，不僅生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且耗費(fèi)大量的人力、物力，不能保證鑄件的最終質(zhì)量。利用計(jì)算機(jī)模擬消失模工藝鑄造過(guò)程，可以揭示充型過(guò)程的流動(dòng)規(guī)律，為鑄造工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高鑄件質(zhì)量提供一種可靠、快捷的分析手段[3-5]。

減速器殼體鑄件為汽車減速器的基礎(chǔ)組成部分，也是汽車底盤(pán)的重要保安零件。它屬于復(fù)雜箱體類零件，多面多孔、高精度、性能要求高，空間尺寸多，且機(jī)械加工難度較高[6]。在采用傳統(tǒng)砂型鑄造生產(chǎn)時(shí)所需砂芯較多，工序復(fù)雜，且所生產(chǎn)出的產(chǎn)品飛邊毛刺難清理，進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)還經(jīng)常發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，而采用消失模鑄造工藝則可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，得到表面光潔，尺寸精度高，組織致密的鑄件。采用ProCAST對(duì)消失模工藝制備減速器殼體鑄件的兩種不同工藝方案進(jìn)行了充型凝固過(guò)程的模擬，分析對(duì)比了兩種方案中充型過(guò)程金屬液的流場(chǎng)和凝固階段的固相率分布，并結(jié)合縮松縮孔的產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)測(cè)判據(jù)，確定鑄件缺陷部位，優(yōu)化工藝，為生產(chǎn)實(shí)際提供重要的參考依據(jù)。

1 減速器殼體鑄件的技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

技術(shù)要求：材質(zhì)為QT450-10球墨鑄鐵；機(jī)械性能要求為拉伸試棒的抗拉強(qiáng)度R m≥450 MPa，延伸率A≥10%，布氏硬度為160 HBW～210 HBW；機(jī)加工后鑄件表面不允許有縮松、縮孔、氣孔、夾渣和冷隔等缺陷，鑄件尺寸合格，各部位不得有開(kāi)裂或裂紋缺陷，不得有任何補(bǔ)焊或填補(bǔ)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：如圖1所示，該汽車減速器殼大體上可分為兩個(gè)部分，上部類似于椎臺(tái)殼體，底部有四個(gè)支柱。其中殼體部分內(nèi)外壁共附有5根加強(qiáng)筋，頂部有一圈環(huán)繞的球形凸臺(tái)；殼體內(nèi)部有較大的空腔，并且壁厚均勻，最小壁厚為7 mm，屬于薄壁類鑄件；下部的4個(gè)支柱是2個(gè)零件之間重要的連接部位，后期需要進(jìn)行機(jī)加工，是鑄件質(zhì)量檢測(cè)的重要部位。

圖1 減速器殼體的實(shí)體模型

2 消失模鑄造模擬的前處理

由于減速器殼體的特點(diǎn)是質(zhì)量較小、薄壁、形狀復(fù)雜，因此，在消失模鑄造中采用一箱兩件的生產(chǎn)方式，并確定了頂注式和側(cè)注式兩種工藝方案，通過(guò)分析比較，選擇較優(yōu)工藝。

2.1.模型的建立及網(wǎng)格劃分

首先，使用Pro/E對(duì)減速器殼體以及對(duì)應(yīng)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的三維實(shí)體建模，將建好的模型直接在Mechanical模塊中進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，輸出結(jié)果直接導(dǎo)入到ProCAST的MeshCAST模塊中進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，生成有限元網(wǎng)格。表1為減速器殼體鑄件頂注式和側(cè)注式的兩種工藝方案的網(wǎng)格工藝參數(shù)，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 減速器殼體鑄件兩種方案的網(wǎng)格工藝參數(shù)

圖2 網(wǎng)格剖分結(jié)果

2.2.材料的熱物性參數(shù)

減速器殼體材質(zhì)為QT450-10.通過(guò)對(duì)該球鐵件的消失模鑄造過(guò)程進(jìn)行模擬分析，得出其合理的工藝參數(shù)為：澆注溫度1 480℃，真空度-0.06 MPa，涂料厚度為1.5 mm，透氣性為5×10-7cm2/kPa·min.型砂采用的是干石英砂，透氣性好，可直接從熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取[7]。

泡沫材料選用EPS（聚苯乙烯），其密度為25 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·K），比熱容為3.7 kJ/（kg·K），潛熱為100 kJ/kg，溶熔溫度為350℃，玻璃化溫度為330℃.

邊界條件主要設(shè)置熱交換系數(shù)（h），包括泡沫和砂型間的換熱系數(shù)為100 W/（m2·k）；鑄件和砂型的換熱系數(shù)為500 W/（m2·k）；砂型與外界環(huán)境界面的換熱系數(shù)為500 W/（m2·k）。

3 模擬結(jié)果及工藝改進(jìn)

3.1 模擬結(jié)果分析

圖3和圖4分別為頂注式和側(cè)注式的充型過(guò)程模擬圖。從圖3a）、圖4a）中可以看出：由于直澆道選用的空心陶瓷管，并沒(méi)有填充泡沫模樣，所以充型開(kāi)始階段的充型速度較快，同時(shí)可以有效防止反噴現(xiàn)象。當(dāng)金屬液與泡沫模樣接觸后，前沿的金屬液溫度會(huì)降低，充型速度逐漸放緩至平穩(wěn)狀態(tài)。由圖 3b）～c）和圖 4b）～c）可以看出：頂注式充型完成所需時(shí)間為5.8 s，而側(cè)注式充型完成所需時(shí)間為6.2 s.相對(duì)于側(cè)注式澆注，頂注式的充型更快，但側(cè)注式充型過(guò)程更加平穩(wěn)。

圖3 頂注式充型過(guò)程

圖4 側(cè)注式充型過(guò)程

圖5和圖6分別為頂注式和側(cè)注式的臨界固相率變化圖。圖中的顏色條0表示全液相，1表示全固相。由圖5a）和圖6a）可以發(fā)現(xiàn)：鑄件最開(kāi)始的凝固部位是凸起的殼體部分，因?yàn)闅んw是整個(gè)鑄件的最薄壁處。隨著時(shí)間的推移，凝固部位從殼體向四周擴(kuò)散。圖5b）、圖6b）顯示了頂注式和側(cè)注式澆注的鑄件，在殼體與下端支柱的連接處存在部分孤立的高溫液相區(qū)域，該孤立液相區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)縮松縮孔缺陷。

圖5 頂注式凝固過(guò)程

圖7a）、b）分別為頂注式和側(cè)注式的減速器殼體縮松縮孔分布圖。它們產(chǎn)生的區(qū)域范圍包括，冒口中心、鑄件上部的6個(gè)球形凸臺(tái)以及4個(gè)支柱與殼體的連接部位。球形凸臺(tái)處屬于熱節(jié)部位，所以容易產(chǎn)生缺陷；而后者是由于形成孤立液相區(qū)，冒口無(wú)法通過(guò)內(nèi)澆道進(jìn)行補(bǔ)縮，從而可能導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。

圖7中的縮松縮孔分布圖顯示了兩種工藝方案都有可能產(chǎn)生一些鑄造缺陷，且缺陷的分布區(qū)域大致相同。比較圖7a）、b）中縮松縮孔缺陷，可以發(fā)現(xiàn)在圖7b）中出現(xiàn)的縮松縮孔明顯要比圖7a）中相同位置的缺陷尺寸要小。并且圖7a）中的殼體與支柱連接位置有可能會(huì)出現(xiàn)較大的縮孔，同時(shí)在殼體外部的加強(qiáng)筋底部也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷。而在圖7b）中，加強(qiáng)筋的底部并無(wú)任何缺陷，說(shuō)明圖7b）中缺陷傾向要比圖7a）中小。因此，采用側(cè)注式澆注進(jìn)行消失模工藝減速器殼體的試生產(chǎn)。

圖6 側(cè)注式凝固過(guò)程

圖7 縮松縮孔分布圖

3.2 工藝改進(jìn)及生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)試生產(chǎn)工藝進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)。主要措施為在減速器殼體的4個(gè)支柱內(nèi)側(cè)增設(shè)冷鐵，其尺寸要比凹槽小，利用冷鐵的激冷作用消除支柱與殼體連接處的潛在縮松縮孔缺陷。

采用側(cè)注式澆注方案，按照澆注溫度1 400℃、真空度-0.06 MPa、涂料厚度1.5 mm和涂料透氣性5×10-7cm2/kPa·min的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際試生產(chǎn)，并對(duì)產(chǎn)品的外觀進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，實(shí)際生產(chǎn)鑄件見(jiàn)圖8。鑄件無(wú)明顯的表面粘砂、皺皮等表面缺陷；將鑄件剖分，模擬結(jié)果中可能出現(xiàn)縮松縮孔的區(qū)域也并未產(chǎn)生任何缺陷，采用該工藝生產(chǎn)的減速器殼體質(zhì)量合格。

另外，從Y形單鑄試塊中取樣，按照GB/T 1348-2009標(biāo)準(zhǔn)加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒，進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)。所得結(jié)果如下：抗拉強(qiáng)度R m≥450MPa，伸長(zhǎng)率A≥10%。硬度平均值為188.3 HBW.測(cè)試結(jié)果表明QT450-10減速器殼體在材質(zhì)方面也滿足技術(shù)要求。

圖8 減速器殼體消失模鑄件

4 結(jié) 論

利用ProCAST模擬軟件對(duì)消失模工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀地觀察到兩種不同工藝方案下減速器殼體鑄件的充型和凝固過(guò)程以及溫度分布變化情況，并且預(yù)測(cè)出縮孔、縮松的大小和位置，通過(guò)工藝改進(jìn)，有效地減少了鑄造缺陷的產(chǎn)生，生產(chǎn)了合格鑄件。因此，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程具有一定的指導(dǎo)作用。

［1］肖澤輝，羅吉榮.消失模鑄造在中國(guó)的應(yīng)用及其發(fā)展［J］.鑄造技術(shù)，2003（3）：168-169.

［2］黃天佑，黃乃瑜，呂志剛.消失模鑄造技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］呂志剛，黃天佑，姜不居，等.影響消失模鑄造充型特性的因素［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2001（1）：12-14.

［4］胡紅軍，楊明波，龔喜兵，等.鑄造工藝的數(shù)值模擬優(yōu)化［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2006（6）：51-53.

［5］朱麗娟，杜德喜，董秀琦，等.消失模鑄造澆注系統(tǒng)的選擇［J］.鑄造，2006（12）：1319-1321.

［6］張明，劉庭輝，魏建芳，等.小型蝸輪減速器箱體加工工裝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2003（6）：56-58.

［7］李日.鑄造工藝仿真PROCAST從入門(mén)到精通［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.