精鑄連接體工藝模擬及改進(jìn)

宋廣，接金川，張蓬，李廷舉

(1.大連國運(yùn)興鑄造有限公司，遼寧大連 116104；2.大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

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精鑄連接體工藝模擬及改進(jìn)

宋廣1，接金川2，張蓬1，李廷舉2

(1.大連國運(yùn)興鑄造有限公司，遼寧大連 116104；2.大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

摘要：精密鑄造是生產(chǎn)近凈成形金屬零件的重要方法之一，在制造業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。然而受到精鑄生產(chǎn)設(shè)備尺寸限制，工藝出品率低等因素的影響，其鑄件重量及尺寸范圍受到限制，所生產(chǎn)的精密鑄件大多屬于小型件，重量范圍從幾克至幾千克。本文采用ProCAST模擬軟件分析連接體精鑄件（毛坯質(zhì)量360 kg）鑄造過程，改進(jìn)鑄造工藝，并最終成功制備出連接體精鑄件。

關(guān)鍵詞：精密鑄造；工藝出品率；ProCAST；鑄造工藝模擬

稿件編號:1511- 1121

現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展對鑄件質(zhì)量也提出更高要求，特別是在航空航天，車輛制造、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域，其鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，趨向于輕量化、精密化、薄壁化。硅溶膠精密鑄造工藝由于可有效滿足上述需求而得到廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)品具有尺寸精度高（可達(dá)CT4-6），表面光潔度高（可達(dá)Ra1.6～3.2 μ m）的特點(diǎn)，并且鑄造過程對環(huán)境污染和人體危害小。但其工藝也存在一定的局限性，一般鑄件質(zhì)量只有幾克到幾千克，對于尺寸較大的鑄件，在壓制蠟?zāi)?，制殼及脫蠟等工藝環(huán)節(jié)，都存在一定的難度。對于有優(yōu)質(zhì)的內(nèi)在質(zhì)量，大批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性高的厚大鑄件，對鑄造工藝及方法提出了更高的要求。

在傳統(tǒng)的硅溶膠鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要依靠工程技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)確定相關(guān)參數(shù)，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)，特別是對于厚大精鑄件的熱節(jié)部位補(bǔ)縮，由于精鑄工藝不如普通砂鑄工藝靈活（如添加冷鐵或鉻礦砂），這種基于“經(jīng)驗(yàn)+試驗(yàn)”的方法，在生產(chǎn)中往往要反復(fù)地修改流道尺寸和工藝方案來達(dá)到質(zhì)量要求，導(dǎo)致鑄件的研制周期長，成本高，質(zhì)量不可靠，已不能適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的要求。本文以連接體精鑄件為例，利用ProCAST有限元鑄造模擬軟件對其鑄造過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對鑄件的溫度場進(jìn)行仿真分析，從而協(xié)助澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)并消除縮孔缺陷。

1 鑄件描述及結(jié)構(gòu)分析

該連接體鑄件為化工行業(yè)用零部件，零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該鑄件用于高溫酸性工作環(huán)境，故該鑄件采用CN7M材質(zhì)，其成分如表1所示。CN7M是一種高鉻鎳奧氏體不銹鋼，對氧化性和中等還原性腐蝕有很好的抵抗能力，在很多化工介質(zhì)中有良好的耐腐蝕特性，同時(shí)具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，因此它既可以用于耐腐蝕部件又可以用于耐高溫部件。同時(shí)，該鑄件對精度要求也較高，鑄件公差等級需按GB/T6414-1999標(biāo)準(zhǔn)中CT7進(jìn)行驗(yàn)收，故采用硅溶膠精密鑄造工藝生產(chǎn)。

圖1 鑄件3D結(jié)構(gòu)圖

此外，該鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求也較高，需100%進(jìn)行無損探傷并且符合ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)還要進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)，鑄件承壓能力須大于4 MPa，打壓過程中鑄件不得有滲漏現(xiàn)象。其外形尺寸為650 mm×650 mm×400 mm，產(chǎn)品中間連接部位的壁厚為12 mm，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其毛坯質(zhì)量約為360 kg。

表1 CN7M不銹鋼材質(zhì)化學(xué)成分 w%

2 原鑄造工藝及模擬參數(shù)設(shè)置

該鑄件采用硅溶膠中溫蠟精鑄工藝生產(chǎn)，其原始蠟?zāi)＝M工藝方案如圖2.a所示，頂部中間冒口為澆冒口，周邊6個(gè)冒口除補(bǔ)縮6個(gè)側(cè)直澆道還可起排氣作用，側(cè)直澆道相當(dāng)于側(cè)壓冒口。根據(jù)此方案試制作1件產(chǎn)品，其型殼如圖2.b所示。為了驗(yàn)證其方案合理性，利用ProCAST軟件對該方案進(jìn)行模擬，為了保證模擬的真實(shí)性，其參數(shù)設(shè)定完全依照實(shí)際生產(chǎn)執(zhí)行，其具體數(shù)值如下。

(1)型殼實(shí)際厚度約為30 mm，共計(jì)18層，第1、2層采用320目鋯粉，第3、4層采用120目鋯砂，第5～18層采用粒度逐漸增大的莫來砂。利用ProCAST軟件meshing模塊進(jìn)行網(wǎng)格剖分，鑄件及澆注系統(tǒng)的4面體網(wǎng)格數(shù)為79萬；利用shelling 功能自動(dòng)生成型殼網(wǎng)格，其網(wǎng)格數(shù)為85萬。

(2)鑄件材質(zhì)為CN7M不銹鋼，液相線溫度為1 346 ℃，固相線溫度為1 147 ℃。為此，初始澆注溫度選擇1 420 ℃；型殼經(jīng)焙燒后，初始溫度為800 ℃。

熱傳導(dǎo)率定義，根據(jù)所選型殼種類及鑄件材質(zhì)，確定熱導(dǎo)率500 W/mK。

(3)根據(jù)澆包的大小及澆注條件，確定初始澆注速度為0.7 m/s，澆注時(shí)間約為43 s，與實(shí)際澆注情況基本一致。

圖2 原工藝方案圖及型殼

3 初始鑄造工藝模擬結(jié)果分析

采用以上工藝參數(shù)生產(chǎn)連接體鑄件，在切割澆注系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品存在縮孔缺陷，這些缺陷分布在澆注系統(tǒng)與鑄件連接部位，縮孔直徑范圍15～40 mm，大小不等，具體如圖3方框標(biāo)注所示，可以看到鑄件上部及下部均存在鑄造缺陷。

為了找出縮孔缺陷的成因，對ProCAST模擬結(jié)果進(jìn)行分析，其上部及下部缺陷部位凝固溫度場分布如圖4.a、b所示，上部及下部缺陷部位凝固比例分?jǐn)?shù)分布如圖5.a、b所示。由圖4.a溫度分布場可發(fā)現(xiàn)在鑄件上部內(nèi)澆口與鑄件連接處形成熱節(jié)點(diǎn)，其位置恰好位于鑄件邊緣上；圖4.b顯示鑄件下部冒口頸與鑄件連接處形成了孤立液相區(qū)，與鑄件實(shí)際缺陷位置一致，這說明側(cè)壓冒口不足以補(bǔ)縮鑄件，無法將熱節(jié)點(diǎn)從鑄件移開至冒口。圖5.a、b凝固比例分?jǐn)?shù)與圖4.a、b取自鑄件相同部位，可清晰的看到鑄件上、下部的熱節(jié)點(diǎn)周邊部位的凝固速度較快，溫度場形成圓環(huán)狀逐層包圍鑄件上的熱節(jié)點(diǎn)，使金屬液無法對鑄件進(jìn)行有效補(bǔ)縮，隨著凝固時(shí)間的增加，體積收縮加大，孤立的液相區(qū)即會(huì)產(chǎn)縮松、縮孔缺陷。

圖3 連接體原工藝縮孔缺陷分布

圖4 原工藝上部和下部缺陷部位凝固溫度場分布

圖5 原工藝上部和下部缺陷部位凝固比例分?jǐn)?shù)分布

4 改進(jìn)后的鑄造工藝

由上述分析可找到缺陷形成的原因，即采用“經(jīng)驗(yàn)法”所選用的冒口尺寸偏小及澆注系統(tǒng)不合理，從而造成對鑄件補(bǔ)縮不良。為此，合理的布置澆口并適當(dāng)增加冒口尺寸，去除鑄件上部對應(yīng)的側(cè)澆口，以免其對鑄件形成“反抽”，加大上部內(nèi)澆口的尺寸并使其與側(cè)直澆道連成一體；對于鑄件下部，增加側(cè)壓冒口的尺寸，由100×100(mm)改為100×120(mm)，對應(yīng)冒口頸的厚度也增加至120 mm，并且改變冒口頸的形狀以充分增加冒口頸與側(cè)壓冒口的接觸面積。改進(jìn)以后的蠟?zāi)＝M立方案3D網(wǎng)格如圖6.a所示，型殼如圖6.b所示，其它工藝參數(shù)按原工藝執(zhí)行。

圖6 連接體改進(jìn)后澆注工藝及型殼

5 改進(jìn)后鑄造工藝模擬結(jié)果及產(chǎn)品照片

鑄件上部及下部缺陷位置凝固溫度場分布如圖7.a、b所示，上部及下部缺陷位置凝固比例分?jǐn)?shù)分布如圖8.a、b所示。改進(jìn)工藝后，由于冒口的模數(shù)增加及冒口頸的尺寸增加，顯著的改變了熱節(jié)點(diǎn)的位置，鑄件上部的孤立液相區(qū)由鑄件移至冒口，即實(shí)現(xiàn)該部位率先凝固，冒口最后凝固；鑄件下部的孤立液相區(qū)由鑄件移至冒口與冒口頸交匯處，即實(shí)現(xiàn)該部位先凝固，冒口頸隨之凝固，最后是冒口與冒口頸交匯處凝固。這說明改進(jìn)的工藝較為合理，冒口可有效對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，消除縮松和縮孔等鑄造缺陷。

圖7 改進(jìn)工藝后鑄件上部和下部位凝固溫度場分布圖

圖8 鑄件工藝改進(jìn)后上部和下部凝固比例分?jǐn)?shù)分布圖

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，按改進(jìn)工藝重新生產(chǎn)連接體鑄件，經(jīng)切割噴砂處理后，鑄件如圖9所示。對其進(jìn)行無損探傷，未發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部存在孔洞類缺陷，結(jié)果完全符合ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，打壓過程也未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，這說明改進(jìn)后的工藝完全能制備出合格的連接體鑄件。

圖9 連接體改進(jìn)工藝后產(chǎn)品照片

6 結(jié)論

應(yīng)用ProCAST數(shù)值模擬技術(shù)可有效地預(yù)測硅溶膠精鑄產(chǎn)品縮孔缺陷，為解決精鑄產(chǎn)品補(bǔ)縮問題提供依據(jù)，幫助工藝技術(shù)人員優(yōu)化工藝方案。

受硅溶膠精密鑄造工藝的限制，及該連接體鑄件重量影響，該鑄件工藝出品率較低；對于同一種精鑄產(chǎn)品，當(dāng)鑄件質(zhì)量增大，工藝出品率會(huì)相應(yīng)降低，因此大型鑄件不太適用硅溶膠精密鑄造工藝生產(chǎn)。

該連接體鑄件凝固過程中，溫度場的分布與凝固比例分?jǐn)?shù)分布基本相同，都能反映出該鑄件熱節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)，但凝固比例分?jǐn)?shù)僅限于對凝固過程進(jìn)行分析，不能用于對純液態(tài)及純固態(tài)合金進(jìn)行分析。

通過模擬得知，改變該鑄件型殼的初始溫度對鑄件熱節(jié)點(diǎn)的位置分布幾乎沒有影響，因此改變型殼焙燒溫度，在型殼外表增加保溫材料等措施不能有效的消除該鑄件的縮孔缺陷。

致謝：感謝中國一汽鑄造有限公司所提供的ProCAST軟件模擬支持和幫助。

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Investment casting process simulation and improvement of connector

SONG Guang1，JIE JinChuan2，ZHANG Peng1，Li TingJu2
(1 Dalian gyxcast Co., Ltd., Dalian 116104,Liaoning,China; 2. Dalian University of Technology，Dalian 116024,Liaoning,China)

Abstract：Silica solution precision casting is an important method for producing metal parts of near net shape, which is widely used in manufacturing industry. Owing to the limit of investment casting equipment size and the low product rate, the weight and size of casting is limited, most of precision castings are small and light, the weight range is from several grams to several kilograms. In this paper, ProCAST software is used to simulate the connector casting process which weight is about 360 kg and to solve feeding problems of big precision casting.

Keywords：Investment casting；Product rate；ProCAST；Casting process simulation

中圖分類號：TG249.5；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）02-0048-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.016

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （編號：51471042）

收稿日期:2015- 11- 04

作者簡介：宋廣(1984—)，男，碩士，工程師，從事鑄造工藝設(shè)計(jì)與研究.