鑄鋼車輪鑄造工藝的數(shù)值模擬實驗*

袁興鵬，王興衍

(酒鋼集團西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

車輪是鑄鋼件中最常規(guī)的產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于機械制造、運輸?shù)雀鱾€行業(yè)。車輪鑄造質(zhì)量的好壞直接影響其本體的使用壽命。在一些關(guān)鍵領(lǐng)域使用鍛壓軋制成形的車輪，高鐵使用的就是這種工藝方法生產(chǎn)的車輪，鍛壓軋制工藝生產(chǎn)的車輪在性能上要優(yōu)于鑄鋼車輪，但其安全性能要求高，生產(chǎn)成本高，并不具備普遍性，而鑄鋼車輪因為生產(chǎn)成本低，性能接近于鍛壓軋制成形的車輪，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。怎樣用低成本鑄造出高質(zhì)量的車輪才是鑄造工藝優(yōu)化的方向，也只有這樣，企業(yè)才更加具備市場競爭力。

筆者主要研究內(nèi)容為[1]：以某公司堆取料機設(shè)備使用的車輪為例，使用傳統(tǒng)的工藝材料和在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計車輪的鑄造工藝，運用三維建模軟件工具將工藝轉(zhuǎn)化為STL格式文件，運用華鑄CAE/InteCAST模擬軟件對鑄件的凝固過程進行模擬計算，并預(yù)測鑄件缺陷的生成及分布情況，根據(jù)模擬結(jié)果對鑄造工藝進行優(yōu)化改進，消除缺陷，為企業(yè)在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下提供車輪工藝優(yōu)化的方向，降低冶煉成本，指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

1 鑄造工藝設(shè)計及凝固過程數(shù)值模擬

1.1 車輪的結(jié)構(gòu)特點及基礎(chǔ)工藝條件

1.1.1車輪結(jié)構(gòu)特點

車輪材質(zhì)為ZG35CrMnSi，是低合金鑄鋼，有良好的綜合力學(xué)性能[2]，有較高的強度、良好的韌性和淬透性能，抗大氣腐蝕和耐磨損性能等方面均優(yōu)于碳鋼，等溫淬火后使用，車輪是單件小批量產(chǎn)品，零件質(zhì)量200 kg。

圖1 鑄件

鑄件如圖1所示，車輪最大外圓直徑670 mm，中心孔高度200 mm，輪緣高度140 mm。從零件質(zhì)量和基本尺寸可以看出，車輪為小型鑄件。零件圖在尺寸上放置機械加工量10 mm后生成鑄件圖，鑄件質(zhì)量279 kg。車輪材質(zhì)ZG35CrMnSi化學(xué)成分[3]如表1所列，車輪模擬時具體化學(xué)成分如表2所列。

表1 ZG35CrMnSi化學(xué)成分 /%

表2 車輪模擬時具體化學(xué)成分 /%

1.1.2基礎(chǔ)工藝條件

鑄造工藝采用呋喃樹脂自硬砂工藝，模具采用普通木模工藝。凝固過程工藝參數(shù)設(shè)置：鋼水澆注初始溫度1 560 ℃，砂型澆注初始溫度25 ℃，環(huán)境初始溫度20 ℃,澆注時間90 s。

1.2 傳統(tǒng)鑄造工藝及凝固過程數(shù)值模擬

1.2.1傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計

傳統(tǒng)鑄造工藝如圖2所示，工藝中輪緣冒口設(shè)置數(shù)量為4，中心孔冒口設(shè)置數(shù)量為1，中心孔冒口下方放置工藝補貼，使用內(nèi)徑φ50 mm澆道陶管，澆道采用中心孔部位底注式。

圖2 傳統(tǒng)鑄造工藝

1.2.2傳統(tǒng)鑄造工藝凝固過程模擬

傳統(tǒng)鑄造工藝模擬結(jié)果的三維立體圖如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)鑄造工藝模擬結(jié)果的三維立體圖

通過模擬顯示車輪凝固時間為1 570 s，縮孔、縮松缺陷全部轉(zhuǎn)移至冒口內(nèi)，形成了冒口縮孔和冒口縮松，達(dá)到了鑄件無縮孔、縮松缺陷的目的。通過三維模型計算出澆冒口質(zhì)量是213 kg，鋼水澆注總質(zhì)量492 kg，鑄件工藝出品率[4]的計算公式為：

通過公式計算得到傳統(tǒng)鑄造工藝的鑄件工藝出品率為56.70%。

1.3 一次改進后鑄造工藝及凝固過程數(shù)值模擬

1.3.1一次改進后鑄造工藝設(shè)計

一次改進后鑄造工藝如圖4所示，工藝中輪緣冒口數(shù)量減少至2，中心孔冒口數(shù)量仍為1，中心孔冒口下方放置工藝補貼，使用內(nèi)徑φ50 mm澆道陶管，澆道仍采用中心孔部位底注式。相比于傳統(tǒng)鑄造工藝，可以看出：冒口減少了2個，在省去冒口的正下方底平面各放置了一塊冷鐵，少放置2個冒口，澆注所需的鋼水量減少。

圖4 一次改進后鑄造工藝

1.3.2一次改進后鑄造工藝凝固過程模擬

一次改進后模擬結(jié)果的三維立體圖如圖5所示，通過模擬顯示車輪凝固時間為1 543 s，凝固時間和傳統(tǒng)鑄造工藝差不多，縮孔、縮松缺陷全部轉(zhuǎn)移至冒口內(nèi)，形成了冒口縮孔和冒口縮松，同樣達(dá)到了鑄件無縮孔、縮松缺陷的目的。通過三維模型計算出澆冒口質(zhì)量是130 kg，鋼水澆注總質(zhì)量409 kg，通過公式計算得到一次改進后鑄造工藝的鑄件工藝出品率為68.21%，鑄件工藝出品率明顯提升。

圖5 一次改進后工藝模擬結(jié)果三維立體圖

1.4 二次改進后鑄造工藝及凝固過程數(shù)值模擬

1.4.1二次改進后鑄造工藝設(shè)計

二次改進后鑄造工藝如圖6所示，工藝中輪緣冒口設(shè)置數(shù)量再次減少變?yōu)?，中心孔冒口設(shè)置數(shù)量仍為1，中心孔冒口下方放置工藝補貼，在工藝補貼的基礎(chǔ)上，中心孔底平面增加了4塊冷鐵[4]。仍使用內(nèi)徑φ50 mm澆道陶管，將澆道改為輪緣部位鑄件上端面開設(shè)澆道的方式。相比于一次改進鑄造工藝，可以看出：冒口減少了1個，在冒口的正對面放置了4塊底冷鐵和1塊側(cè)冷鐵，少放置1個冒口，冒口外圓放置保溫發(fā)熱冒口[4]保溫圈，澆注所需的鋼水量再次減少。

圖6 二次改進后鑄造工藝

1.4.2二次改進后鑄造工藝凝固過程模擬

二次改進后工藝模擬結(jié)果三維立體圖如圖7所示。

圖7 二次改進后工藝模擬結(jié)果三維立體圖

通過模擬顯示車輪凝固時間為1 830 s，凝固時

間相比于前兩次工藝有所延長，縮孔、縮松缺陷全部轉(zhuǎn)移至冒口內(nèi)，形成了冒口縮孔和冒口縮松，再次達(dá)到了鑄件無縮孔、縮松缺陷的目的。通過三維模型計算出澆冒口質(zhì)量是61 kg，鋼水澆注總質(zhì)量340 kg，通過公式計算得到二次改進鑄造工藝的鑄件工藝出品率為82.06%，鑄件工藝出品率再次提升。

2 結(jié)果分析

通過車輪鑄造工藝設(shè)計及凝固過程的數(shù)值模擬，工藝出品率對比表如表3 所列。從表中可以看出：隨著工藝的不斷改進，所有工藝的數(shù)值模擬結(jié)果均顯示鑄件內(nèi)在質(zhì)量沒有問題，而澆冒口質(zhì)量卻在減小，鋼水澆注總質(zhì)量在減小，鑄件工藝出品率提升了，達(dá)到了降低冶煉成本，指導(dǎo)實際生產(chǎn)的目的。

表3 工藝出品率對比表

3 結(jié) 論

運用三維建模軟件制作出工藝，用華鑄CAE/InteCAST模擬軟件對工藝進行數(shù)值模擬，確定出了縮孔、縮松的缺陷位置。通過工藝的不斷優(yōu)化，減少鋼水的澆注總質(zhì)量，降低冶煉成本。通過冷鐵和保溫圈的配合使用，提高鑄件的工藝出品率，為今公司車輪鑄造工藝的制作提供了方向。

[1] 米國發(fā),鄭喜軍,王狂飛.ZG310-570齒輪的鑄造工藝設(shè)計及數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2011,40(13):44-46.

[2] 耿浩然,章希勝,陳俊華.鑄鋼[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[3] 姜希尚.鑄造手冊.鑄鋼2[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[4] 王文清,李魁盛.鑄造工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002.

[5] 李弘英,趙成志.鑄造工藝設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.