基于正交試驗(yàn)的一種Fe-Cr-Ni合金軸套精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化

李玉來，周子剛，袁子洲

（1.浙江省宣達(dá)耐腐蝕特種金屬材料研究院，浙江溫州 325105；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050；3.蘭州理工大學(xué)溫州研究生分院，浙江溫州325105）

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基于正交試驗(yàn)的一種Fe-Cr-Ni合金軸套精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化

李玉來1，周子剛2,3，袁子洲2,3

（1.浙江省宣達(dá)耐腐蝕特種金屬材料研究院，浙江溫州 325105；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050；3.蘭州理工大學(xué)溫州研究生分院，浙江溫州325105）

摘要：基于正交試驗(yàn)的方法，運(yùn)用ProCAST軟件對(duì)一種Fe-Cr-Ni合金軸套的熔模鑄造過程進(jìn)行了模擬，確定了指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的優(yōu)化工藝參數(shù)：澆注溫度為1 380 ℃，澆注速度為4.0 m/s，型殼溫度為650 ℃。在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，改進(jìn)橫澆道的高度，通過企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，獲得了合格的鑄件產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)；Fe-Cr-Ni合金；軸套；熔模鑄造；工藝優(yōu)化

稿件編號(hào):1510- 1110

鑄造工藝設(shè)計(jì)過程中，有許多繁瑣的計(jì)算和大量的查表等工作，工藝設(shè)計(jì)人員如果只依賴“經(jīng)驗(yàn)+試驗(yàn)”的方法進(jìn)行判斷具有相當(dāng)大的盲目性，難以保證鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性，并且導(dǎo)致試制產(chǎn)品的周期延長、成本升高[1-2]。這些都不利于鑄造行業(yè)的迅速發(fā)展。近年來，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，越來越多的鑄造工作者使用鑄造模擬軟件ProCAST來驗(yàn)證或者優(yōu)化產(chǎn)品的鑄造工藝，減少或消除鑄造缺陷，提高成品率以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本[3-5]。

1 鑄造過程模擬和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 軸套的鑄造過程模擬

1.1.1 實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分

研究鑄件為套筒狀的軸套，材質(zhì)為一種Fe-Cr-Ni合金，鑄件尺寸如圖1.a所示。采用Pro/Engineer三維實(shí)體造型軟件進(jìn)行造型，如圖1.b所示。金屬液從澆口杯注入，通過直澆道后在鋼液靜壓力的作用下流入橫澆道和內(nèi)澆道，最后流入鑄件。

圖1 鑄件尺寸和帶澆注系統(tǒng)的實(shí)體造型

將Pro/Engineer所建的三維模型保存為igs格式文件，采用ProCAST軟件自帶的Meshing功能進(jìn)行面網(wǎng)格劃分和修復(fù)，網(wǎng)格邊長為12 mm，用Shell功能在鑄件外生成一個(gè)厚度為10 mm的型殼，最后生成體網(wǎng)格，保存為mesh格式文件。

1.1.2 材料熱物性參數(shù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)

該Fe-Cr-Ni合金是奧氏體組織的鎳基合金，合金主要成分如表1所示。本文中的Cr、Si等元素的含量都超過了ProCAST軟件中材料數(shù)據(jù)庫中的值，因此用JMatPro材料性能模擬軟件計(jì)算該合金的熱物性參數(shù)和應(yīng)力參數(shù)，然后導(dǎo)入到ProCAST軟件中進(jìn)行計(jì)算。熱物性參數(shù)主要包括焓H、熱導(dǎo)率λ和密度ρ等。應(yīng)力參數(shù)主要包括楊氏模量、泊松比、屈服應(yīng)力和硬化系數(shù)等，這些熱物性參數(shù)一般均隨溫度的變化而變化。

表1 Fe- Cr- Ni合金的化學(xué)成分 w(%)

1.1.3 初始條件和邊界條件的確定

通過JMatPro軟件計(jì)算得到該合金的液相線和固相線溫度分別為1 261 ℃和1 186 ℃。實(shí)際生產(chǎn)工藝為：澆注溫度為1 420 ℃，澆注速度為3.0 m/s，型殼溫度為650 ℃。冷卻類型為Air cooling。澆注類型為Gravity Filling。金屬與砂型間的換熱系數(shù)為500 W/（m2·K）。型殼材料采用SAND_Silica，型殼采用Rigid模型；鑄件域采用Elasto-Plastic模型，在大多數(shù)情況下，采用彈-塑性模型會(huì)得到真實(shí)的結(jié)果[5]。模擬的終止條件是TSTOP=400 ℃，最后保存為dat格式的文件。運(yùn)行DateCAST和ProCAST進(jìn)行熱-流動(dòng)-應(yīng)力耦合模擬。

針對(duì)此機(jī)械臂拾取系統(tǒng)建立模糊閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制最終的效果是通過調(diào)整輸入機(jī)械臂氣體壓力的大小，將拾取的電子元件準(zhǔn)確地放置在指定的位置點(diǎn)。系統(tǒng)控制信號(hào)選擇機(jī)械臂末端位移的測(cè)量信號(hào)，然后根據(jù)位移測(cè)量值與參考值的偏差e及偏差變化率ec來控制輸入壓力P的大小，從而控制機(jī)械臂拾取元件到達(dá)指定位置。在此系統(tǒng)中的模糊控制器的輸入量是機(jī)械臂位移的偏差e和偏差變化率ec，輸出量u是輸入氣體的壓力。假設(shè)機(jī)械臂拾取元件的運(yùn)動(dòng)位移為500 mm，最大超調(diào)量不超過10%。

按實(shí)際生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的軸套鑄件有裂紋，如圖2所示。用SDT Q600進(jìn)行DTA檢測(cè)，該合金的液相線和固相線溫度分別為1 274 ℃和1 213 ℃，如圖3所示。該檢測(cè)溫度與JMatPro軟件計(jì)算的相差不大，說明模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的，該溫度也為后文正交試驗(yàn)澆注溫度的設(shè)定提供幫助。

圖2 實(shí)際鑄件熱裂紋位置

圖3 DTA曲線

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

澆注溫度、澆注速度和型殼溫度是精鑄的關(guān)鍵工藝參數(shù)，決定了金屬液的充型和凝固過程。因此，選擇正確的工藝參數(shù)至關(guān)重要[6]。本文中為得到最佳的工藝參數(shù)方案，在其他條件不變的情況下，進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)?zāi)M[4,7]，因數(shù)和水平見表2[8]。

表2 試驗(yàn)因素和水平

2 正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分析和討論

正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。在Shrinkage porosity中體積分?jǐn)?shù)大于1%認(rèn)為是宏觀縮松[5]，因此，本文中的評(píng)判指標(biāo)為空隙率大于2%的縮松缺陷體積分?jǐn)?shù)。對(duì)得到的結(jié)果采用極差分析的方法[1]，根據(jù)極差大小得到主次順序?yàn)镽A>RB>RC。因此可以判斷出，本試驗(yàn)中澆注溫度是影響鑄件質(zhì)量的最主要的因素，充型速度次之，型殼溫度的影響最小。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

用A、B、C各水平的平均值作出3個(gè)曲線圖[1]。如圖4所示，不同因素的水平發(fā)生改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響趨勢(shì)圖.本文中計(jì)算冒口圈與鑄件之間大于2%的縮松缺陷?？s松缺陷體積分?jǐn)?shù)越小，表明鑄件的質(zhì)量越好，因此確定最優(yōu)的水平組合方案為A1B3C1。即澆注溫度為1 380 ℃，澆注速度為4.0 m/s，型殼溫度為650 ℃。

圖4 各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響趨勢(shì)圖

圖 5 鑄件充型過程的溫度場(chǎng)

3 工藝參數(shù)優(yōu)化后的鑄造過程模擬

正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)后，通過對(duì)鑄件充型和凝固過程的分析，縮孔、縮松的預(yù)測(cè)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，可以對(duì)該工藝的優(yōu)化效果有更為清晰的了解。最優(yōu)方案 A1B3C1在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表中。

3.1 鑄件充型過程分析

軸套澆注時(shí)，鋼包中的鋼液流經(jīng)直澆道，依靠金屬液產(chǎn)生的靜壓力，依次流入橫澆道、內(nèi)澆道和軸套，整個(gè)充型過程需要7.231 s。圖5是2.4463 s、4.4705 s、6.4223 s和7.2220 s時(shí)鑄件充型過程的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，可以看到軸套充型完整，不會(huì)產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷。

3.2 鑄件凝固過程分析

圖6為鑄件凝固時(shí)間和縮松、縮孔分布圖。從圖6.a可以看出，紅色區(qū)域的凝固時(shí)間最長，該區(qū)域大多數(shù)為澆注系統(tǒng)部位，說明澆注系統(tǒng)凝固所需的時(shí)間最長。從圖中還可以看出鑄件按照定向凝固原則從下到上進(jìn)行凝固。從圖6.b可以看出，縮松、縮孔在澆注系統(tǒng)區(qū)域產(chǎn)生的比較多，鑄件部位也有少量的縮松、縮孔，這一結(jié)果與凝固時(shí)間分析結(jié)果相一致；并且冒口圈與鑄件之間形成隔絕的“孤島”。

3.3 鑄件有效應(yīng)力的分布

從圖7可以看出，鑄件的最大有效應(yīng)力出現(xiàn)在鑄件最下面最薄的部位，但是靠近鑄件內(nèi)壁應(yīng)力比較集中。這是由于縮松、縮孔的存在，減小了鑄件的有效承載面積，造成應(yīng)力集中。這與實(shí)際澆注中出現(xiàn)熱裂紋的位置基本相同。

圖6 鑄件的凝固時(shí)間和縮松、縮孔分布圖

圖7 鑄件的有效應(yīng)力圖

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

分析優(yōu)化工藝參數(shù)后的凝固過程，發(fā)現(xiàn)鑄件產(chǎn)生熱裂紋的主要原因是補(bǔ)縮不夠，形成了隔絕的“孤島”，在收縮應(yīng)力作用下，產(chǎn)生熱裂且使裂紋從冒口處縱向下移至鑄件處，橫向從內(nèi)壁向外延伸。重力鑄造主要靠澆冒口來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮[1]。因此在生產(chǎn)驗(yàn)證的時(shí)候提出了兩種方案：①適當(dāng)加大冒口圈斜度，使冒口圈加粗；②由生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得到，對(duì)于該合金材料各組元截面比例?。篎冒口圈∶F內(nèi)∶F橫=1∶1.2∶1.44，發(fā)現(xiàn)其橫澆道設(shè)計(jì)不合理，應(yīng)由原來的50 mm增加到80 mm。兩種方案的目的都使鑄件有足夠的補(bǔ)縮量，讓縮松、縮孔轉(zhuǎn)移到澆冒系統(tǒng)中去。經(jīng)車間澆注試驗(yàn)，方案2得到了合格的鑄件，并且后續(xù)的生產(chǎn)中都得到了合格的產(chǎn)品。圖8為兩種方案生產(chǎn)出的鑄件。

圖8 兩種方案所生產(chǎn)的鑄件

5 結(jié)論

（1）基于正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)確定了影響熔模鑄造鑄件結(jié)果的主次因子分別為澆注溫度、澆注速度和型殼溫度。

（2）在其他工藝條件不變的情況下，澆注溫度為1 380 ℃，澆注速度為4.0 m/s，型殼溫度為650 ℃是縮松缺陷體積分?jǐn)?shù)最小的工藝參數(shù)。即充型要快，澆注溫度和型殼溫度相對(duì)低一些較好。

（3）在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，通過改進(jìn)橫澆道的高度，通過車間實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，獲得了合格的鑄件產(chǎn)品，鑄件組織致密，質(zhì)量穩(wěn)定。

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Optimization of process parameters of a Fe-Cr-Ni alloy sleeve precision casting based on orthogonal test

LI YuLai1，ZHOU ZiGang2,3，YUAN ZiZhou2,3
(1.The Institute of Xuanda Corrosion-Resistant Special Metals of Zhejiang Province,Wenzhou 325105，Zhejiang，China;2.Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu，China; 3.Wenzhou graduate student Branch,Lanzhou University of Technology,Wenzhou 325105,Zhejiang，China）

Abstract：Based on the orthogonal experiment，the Investment casting process of a Fe-Cr-Ni alloy sleeve was simulated by using ProCAST software.The optimal process parameters to guide actual production were determined，namely，the pouring temperature is 1 380 ℃，the pouring speed is 4.0 m/s，the shell temperature is 650 ℃.Under the optimal process parameters，the height of the runner was improved.Through the actual production verifi cation of the enterprise, the qualifi ed casting product was obtained.

Keywords：orthogonal test；Fe-Cr-Ni alloy；sleeve；investment casting；process optimization

中圖分類號(hào)：TG249.5；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1006-9658（2016）02-0013-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.004

收稿日期:2015- 10- 27

作者簡介：李玉來（1957—），男，高級(jí)工程師，主要從事耐腐蝕特種金屬材料冶煉、鑄造工藝的研究.