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    鑄造CAE技術(shù)在大型球鐵件中壓外缸產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    2019-02-14 03:22:56張龍江姚紅汝
    中國鑄造裝備與技術(shù) 2019年1期
    關(guān)鍵詞:充型冒口軸承座

    張龍江,姚紅汝

    (共享裝備股份有限公司,寧夏銀川750021)

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,鑄造過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟,為鑄造行業(yè)提供了一種新的工具和解決問題的途徑。應(yīng)用NX輔助技術(shù)設(shè)計(jì)中的MAGMA軟件版塊,模擬鑄件的充型、凝固和應(yīng)力場過程。根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)鑄件的缺陷部位進(jìn)行預(yù)測,幫助工藝員優(yōu)化鑄造工藝,改進(jìn)工藝方案,從而達(dá)到縮短試制周期、提高鑄件質(zhì)量及降低成本的目的[1-3]。

    1 鑄件介紹

    中壓外缸鑄件如圖1所示,鑄件輪廓尺寸為5690mm×2750mm×2215mm,鑄件重量為34822 kg,最大壁厚350mm,最小壁厚60 mm,材質(zhì)為國標(biāo)QT400-18AR。無損檢測根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12680-3,要求法蘭面打孔位置、缸口打孔位置、臍子、軸承座加工槽子部位等加工面均不能有任何缺陷,其它部位UT 2級(jí)以上。該件初始設(shè)計(jì)采用呋喃樹脂自硬砂進(jìn)行生產(chǎn),材料采用中頻電爐熔煉,主要配料為生鐵、廢鋼和機(jī)鐵。

    圖1 鑄件圖

    2 CAE輔助模擬分析

    2.1 鑄件裸模

    首先在進(jìn)行模擬預(yù)算之前要對(duì)鑄件整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,CAE軟件采用的是有限差分法進(jìn)行的網(wǎng)格劃分且自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分過程。網(wǎng)格劃分越細(xì),計(jì)算結(jié)果越精確。雖然細(xì)化網(wǎng)格劃分有助于計(jì)算結(jié)果的精確性,但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長,所以對(duì)鑄件進(jìn)行劃分要掌握網(wǎng)格劃分的效果和數(shù)量兩個(gè)要點(diǎn),劃分結(jié)果如圖2所示。

    應(yīng)用CAE輔助模擬分析,對(duì)設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行凝固過程的模擬,圖3為鐵液液相凝固過程(其中,鑄件顏色深色部位為還未凝固的區(qū)域,淺色為已經(jīng)凝固的區(qū)域),從圖3可見,鑄件整體凝固順序較好,缸口部位、臍子、法蘭面、軸承座等厚大部位為最后凝固區(qū)域,此區(qū)域溫度較高,也是產(chǎn)生縮松傾向較大的部位[4,5]。

    圖2 鑄件網(wǎng)格劃分圖

    圖3 鑄件液相凝固過程圖

    鑄件縮松結(jié)果如圖4所示,圖4是用X射線探傷檢測鑄件內(nèi)部縮松,當(dāng)Range=6%時(shí)的縮松缺陷模擬結(jié)果(其中深色代表鑄件存在縮松風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域,淺色代表無縮松風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域),可見整體縮松情況較好,但是鑄件缸口部位、臍子、法蘭面、軸承座等關(guān)鍵部位縮松嚴(yán)重,需要繼續(xù)改進(jìn)。

    圖4 鑄件裸??s松圖

    2.2 工藝方案初步改進(jìn)及結(jié)果

    由于此鑄件壁厚較大,考慮到鑄件可以自膨脹來替補(bǔ)需要的鐵水,在頂部缸口增加一圈油瓶冒口(圖5),根據(jù)裸模模擬,依次判斷鑄件充型平穩(wěn)度、溫度場分布、關(guān)鍵斷位模數(shù)、熱節(jié)位置、凝固順序和縮松情況。分別在厚大部位擺放冷鐵,繼續(xù)進(jìn)行模擬。

    圖5 直徑100mm油瓶冒口工藝方案

    其中澆注系統(tǒng)直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道的截面面積分別為226cm2、936mm2、923cm2。直澆道采用?120mm的陶瓷管,內(nèi)澆道采用?70 mm的陶瓷管和鑄件搭接。

    如圖6、7所示,模擬結(jié)果顯示,鑄件充型平穩(wěn),內(nèi)澆口處流速低,型腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)逐層充滿(其中,鑄件顏色深色部位為鐵水已充滿的區(qū)域,淺色為鐵水還未充滿的區(qū)域),充型完成后溫度場分布合理(其中,鑄件顏色深色部位為溫度較低的區(qū)域,淺色為溫度較高區(qū)域),判定按照公司規(guī)范設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)合格。

    圖6 鑄件充型流速過程

    圖7 鑄件充型溫度場過程

    模擬凝固過程中,液相凝固后期,油瓶冒口先凝固,缸口、厚大軸承座、法蘭面最后凝固,鐵水無法補(bǔ)縮到缸口,油瓶冒口根部出現(xiàn)縮松(圖8、圖9)。

    圖8 鑄件液相凝固過程圖

    圖9 鑄件縮松圖

    此模擬結(jié)果不符合顧客要求,主要是因?yàn)橛推棵翱谀?shù)較小,補(bǔ)縮量不足,先于缸口凝固,無法補(bǔ)縮到鑄件,導(dǎo)致冒口根部有縮松,達(dá)不到預(yù)期效果,需要繼續(xù)模擬改進(jìn)。

    2.3 缸口換發(fā)熱冒口工藝方案改進(jìn)及結(jié)果

    此方案在以上方案的基礎(chǔ)上,將中壓外缸頂部冒口改為?400mm×600mm的發(fā)熱冒口(圖10),冒口頸尺寸為?60mm×35mm,鑄件及澆、冒口總質(zhì)量為41688kg,并分別在冒口分區(qū)的地方增加冷鐵,保證加工部位無縮松缺陷。

    圖10 直徑400mm發(fā)熱冒口工藝方案

    應(yīng)用CAE輔助模擬分析,對(duì)設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行充型和凝固的模擬,圖11為鐵液液相凝固過程(其中深色代表鑄件還未凝固的區(qū)域,淺色代表已經(jīng)凝固的區(qū)域),從圖11可見,冒口下方、法蘭面、軸承座為最后凝固區(qū)域,此區(qū)域溫度較高,也是縮松產(chǎn)生傾向較大的部位。同樣的,圖12是用X射線探傷檢測鑄件內(nèi)部縮松,當(dāng)Range=6%時(shí)的縮松缺陷模擬結(jié)果(其中深色代表鑄件縮松區(qū)域,淺色代表無縮松區(qū)域)。

    圖11 鑄件加發(fā)熱冒口熱節(jié)圖

    圖12 鑄件加發(fā)熱冒口縮松圖

    由圖13、圖14可見,鑄件缸口上的冒口、法蘭面、軸承座的鐵水最后凝固,整體縮松結(jié)果較好,但是法蘭面吊把周圍縮松風(fēng)險(xiǎn)較大,且法蘭面正反兩面冷鐵太多,現(xiàn)場生產(chǎn)造成很大的不便,此方案需進(jìn)一步改進(jìn)。

    2.4 加冒口、減冷鐵工藝方案改進(jìn)及結(jié)果

    此工藝在以上方案的基礎(chǔ)上,在法蘭面四個(gè)爪子上增加四個(gè)?350×350mm的發(fā)熱保溫冒口,并且減少法蘭面正反面的冷鐵,鑄件及澆、冒口總質(zhì)量為42756kg,如圖15所示。

    圖13 鑄件加發(fā)熱冒口液相凝固圖

    圖14 鑄件加發(fā)熱冒口模數(shù)圖

    圖15 最終改進(jìn)后工藝方案

    圖16 鑄件加發(fā)熱冒口液相凝固圖

    應(yīng)用CAE輔助模擬分析,對(duì)設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行充型和凝固的模擬,圖16為鐵液液相凝固過程(其中深色代表鑄件還未凝固的區(qū)域,淺色代表已經(jīng)凝固的區(qū)域),從圖可見,冒口下方為最后凝固區(qū)域,冒口補(bǔ)縮區(qū)域分區(qū)明顯。

    鑄件縮松結(jié)果如圖17(其中深色代表鑄件縮松區(qū)域,淺色代表無縮松區(qū)域),是用X射線探傷檢測鑄件內(nèi)部縮松,當(dāng)Range=3%時(shí)的縮松缺陷模擬結(jié)果,由圖可見,關(guān)鍵區(qū)域無縮松,UT區(qū)域沒有縮松,缸口、厚大軸承座、法蘭面加工處均無縮松,縮松級(jí)別滿足顧客要求。

    圖17 鑄件加發(fā)熱冒口縮松圖

    3 生產(chǎn)結(jié)果

    圖18 鑄件現(xiàn)場生產(chǎn)UT結(jié)果

    按照改進(jìn)后的工藝進(jìn)行試生產(chǎn),生產(chǎn)結(jié)果為UT區(qū)域無縮松,符合顧客要求(見圖18),此中壓外缸鑄件研發(fā)成功。

    4 結(jié)束語

    利用CAE技術(shù)輔助軟件對(duì)鑄件進(jìn)行流場的充型及凝固模擬,可以清晰看到鐵水在型腔中的沖型流動(dòng)過程及鐵液液相凝固過程,判斷鐵水充型是否平穩(wěn),有無紊流飛濺等。也可以直觀的反映出鑄件的凝固順序,以及縮松、熱節(jié)、模數(shù)等,有利于工藝設(shè)計(jì)人員優(yōu)化工藝,改變冷鐵大小、形狀和冒口的位置、大小,從而消除這一部分的缺陷??梢杂行У乜s短產(chǎn)品研發(fā)、試制周期,提高鑄件質(zhì)量,極大地提升鑄造企業(yè)競爭力,最終指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

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