陳 流 劉 杰
(貴州詹陽(yáng)動(dòng)力有限公司,貴州 貴陽(yáng)550006)
挖掘動(dòng)臂支架是高速多功能搶險(xiǎn)工程車上的重要部件,它是挖掘動(dòng)臂在工程車車架上的支撐零件,使挖掘動(dòng)臂在進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí),能夠左右擺動(dòng)來擴(kuò)大挖掘作業(yè)面積。從該零件使用的情況上看,該零件受力大、強(qiáng)度要求高的零件,零件材料為ZG270-500,在加工孔的位置不允許有鑄造缺陷。由于該零件與車架和挖掘動(dòng)臂的非加工接觸面較多,因此鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高。而在鑄造過程中由于鑄件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大,泥芯數(shù)量多,鑄造難度大,極易產(chǎn)生變形,尺寸精度難以保證,且冒口尺寸大,導(dǎo)致精整打磨工作量大。本文運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)挖掘動(dòng)臂支架進(jìn)行三維建模,運(yùn)用Anycasting模擬軟件進(jìn)行充型和凝固過程模擬分析,解決挖掘動(dòng)臂支架鑄件鑄造過程中的成形及工藝難題,為同類鑄件的生產(chǎn)提供參考。通過CAD、CAE技術(shù)的應(yīng)用,縮短工藝設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及產(chǎn)品制造的周期,降低生產(chǎn)成本[1-2]。
挖掘動(dòng)臂支架是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄鋼件,鑄件重量為230kg,鑄件最大尺寸為839mm。對(duì)不能使用冒口進(jìn)行補(bǔ)縮的加工孔位置,為使其內(nèi)在不產(chǎn)生縮孔等缺陷,在需要加工孔的位置使用內(nèi)外冷鐵來加快該部位冷卻,保證其先凝固,以確保該部位的內(nèi)在質(zhì)量。工藝三維模型圖如圖1所示。
圖1 原工藝方案
運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)挖掘動(dòng)臂支架、冒口、澆注系統(tǒng)以及冷鐵進(jìn)行三維建模并進(jìn)行裝配,以STL文件格式導(dǎo)出,然后在Anycasting環(huán)境下導(dǎo)入各部分的STL文件。在AnyPRE環(huán)境下進(jìn)行前處理,設(shè)置各部分屬性,按照AnyCasting模擬軟件網(wǎng)格劃分規(guī)則,使用非均勻網(wǎng)格功能將鑄件劃分為1005268個(gè)單元。任務(wù)設(shè)置選用砂型鑄造,分析類型選擇為充型分析及充型前后的熱/凝固分析。工藝條件見表1,熱傳遞系數(shù)見表2。
表1 工藝條件
表2 熱傳遞系數(shù)
由于原工藝方案采取的是頂注式澆注,故可能在型腔底部發(fā)生旋流,圖2是充型過程中的速度場(chǎng)分析,從圖中可以明顯看出在澆注開始階段鑄件的底部鋼液會(huì)產(chǎn)生旋流,容易造成夾砂、卷氣缺陷。Anycasting軟件中在充型模擬中還加入了粒子追蹤分析結(jié)果,能更直觀的看到液流進(jìn)入型腔后的流動(dòng)情況[3],圖3為充型過程中的粒子追蹤分析。
圖2 充型過程的速度場(chǎng)分析
圖3 充型過程的粒子追蹤
圖4是該鑄件的凝固過程分析圖,從圖中可以看出在凝固的最后階段,鑄件的厚大熱節(jié)處及腰圓形冒口處出現(xiàn)孤立的液相區(qū)域,在非冒口區(qū)域出現(xiàn)孤立液相區(qū)極易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。圖5為根據(jù)殘余熔體模數(shù)判據(jù)得到的縮孔缺陷圖,可以看到在腰圓形冒口的根部以及底部的熱節(jié)處會(huì)產(chǎn)生縮孔缺陷,影響鑄件質(zhì)量。
圖4 主要的孤立液相區(qū)域
圖5 原工藝缺陷
根據(jù)Anycasting充型過程模擬分析的結(jié)果,原工藝方案的澆注系統(tǒng)在充型過程中容易形成旋流,造成夾砂、卷氣缺陷,本文認(rèn)為應(yīng)將澆注系統(tǒng)改為底注式,改進(jìn)后靠近底部澆口的冷鐵取消,在底部加工孔位置處的縮孔缺陷,可添加新的冷鐵進(jìn)行控制。改進(jìn)后工藝方案如圖6所示。
圖6 工藝優(yōu)化方案
對(duì)改進(jìn)后的工藝方案進(jìn)行充型過程及凝固過程模擬分析,發(fā)現(xiàn)底部式澆注液流進(jìn)入型腔后緩慢上升,充型平穩(wěn),不會(huì)對(duì)砂型造成沖刷現(xiàn)象,可以減少夾砂、卷氣缺陷,底部加工孔位置處的縮孔缺陷也得到了相應(yīng)的控制。少量縮松缺陷位于非加工孔位置處,滿足鑄件使用的需要。
基于Anycasting鑄造模擬軟件得到的充型、凝固過程模擬結(jié)果以及缺陷情況與實(shí)際生產(chǎn)情況吻合,通過CAD、CAE技術(shù)的應(yīng)用,可以減少鑄造行業(yè)工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化的時(shí)間,節(jié)約試驗(yàn)生產(chǎn)成本。
[1]唐玉林.圣泉鑄工手冊(cè)[M].東北大學(xué)出版社,2006.
[2]施廷藻,王玉瑋.鑄造使用手冊(cè)[M].沈陽(yáng):東北工學(xué)院出版社,1998:1-228.
[3]王孝國(guó),黃放.基于Anycasting的轉(zhuǎn)向泵殼體澆注系統(tǒng)優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),2011,31(3):217-219.