基于數(shù)值模擬軟件的柱窩鑄造工藝設(shè)計(jì)

栗懷鋒

(山西潞安機(jī)械有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

液壓支架是綜采工作面的重要設(shè)備，其作用是支護(hù)頂板、推移工作面輸送機(jī)和采煤機(jī)。而柱窩是液壓支架上的重要零部件之一，立柱的上端是頂梁柱窩，通過焊接鑲嵌在頂梁結(jié)構(gòu)件內(nèi)；立柱的下端是底座柱窩，通過焊接鑲嵌在底座結(jié)構(gòu)件內(nèi)。當(dāng)?shù)V壓比較明顯時(shí)，柱窩承受巨大的壓力和載荷，需要較高的鑄造質(zhì)量，不能有縮孔、縮松等缺陷[1]。

1 頂梁柱窩的輪廓尺寸及鑄造工藝參數(shù)設(shè)定

圖1是用UG軟件繪制的前/后頂梁柱窩三維實(shí)體模型。前頂梁柱窩長(zhǎng)445 mm、寬400 mm、高378 mm，重222 kg，見圖1(a)；后頂梁柱窩長(zhǎng)425 mm、寬400 mm、高343 mm，重200 kg，見圖1(b)。材質(zhì)為ZG27SiMn，熱處理調(diào)質(zhì)硬度為 240～280 HB。

圖1 頂梁柱窩

實(shí)際生產(chǎn)中由于前、后頂梁柱窩配對(duì)使用，制作模具時(shí)為一箱兩件。柱窩窩底及耳部為柱窩的關(guān)鍵部位，為保證其鑄件質(zhì)量放置于下型。前、后頂梁柱窩高度相差35 mm，由于上型設(shè)置冒口，結(jié)合柱窩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以分型面確定為圖2所示位置。

圖2 鑄造工藝三維模型

潞安機(jī)械公司采用轉(zhuǎn)包澆注，由于轉(zhuǎn)包沒有擋渣能力，所以要求澆注系統(tǒng)要有較好的擋渣能力，常選用封閉式或半封閉式的澆注系統(tǒng)。其截面比為∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直=1∶0.9∶1.2[2]。

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用直澆道1個(gè)，前、后頂梁柱窩共用1個(gè)橫澆道，雙側(cè)2個(gè)內(nèi)澆道進(jìn)行澆注，各組員尺寸如圖3所示。

圖3 各組員截面尺寸(mm)

該頂梁柱窩為“王”字筋結(jié)構(gòu)，“十”字及“T”字筋交叉處為熱節(jié)部位。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)考慮“十”字筋處放置冒口可保證“T”字筋處鋼水補(bǔ)縮，故在兩柱窩“十”字筋上各安放1個(gè)明頂冒口。冒口尺寸：根部直徑D=160 mm，頂部直徑D1=250 mm，高度310 mm。鑄件出品率約為73%。

2 計(jì)算機(jī)模擬及結(jié)果分析

按圖2所示把柱窩的三維模型圖導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中，進(jìn)行169萬數(shù)目的網(wǎng)格劃分，同時(shí)設(shè)置數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)， 在鑄造方式中選擇常規(guī)重力鑄造，主要化學(xué)成分含量見表1，澆注溫度1 550 ℃，環(huán)境的初始溫度 25 ℃，澆注時(shí)間30 s[3]，然后進(jìn)行凝固模擬分析。

表1 ZG27SiMn主要成分含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%)

計(jì)算完畢后，選取4張凝固圖片來分析全部的凝固過程，如圖4所示。圖中灰色部分代表液態(tài)，白色部分代表固態(tài)，黑色部分代表縮孔。t=1 000 s 時(shí)，從四周向中心部位凝固，見圖4(a)；t=2 000 s 時(shí)，由于柱窩單一筋板部位較“T”字筋及“十”字筋部位薄，所以先凝固，剩余的液態(tài)部分組成一個(gè)連通區(qū)域，見圖4(b)；t=3 000 s 時(shí)，“T”字筋、“十”字筋熱節(jié)部位較厚所以此時(shí)仍為液態(tài)，見圖4(c)；t=4 000 s 時(shí)，凝固結(jié)束，在“T”字筋及“十”字筋熱節(jié)部位形成縮孔，見圖4(d)。

圖4 凝固過程中的數(shù)值模擬結(jié)果

由圖4(d)得出，鑄件凝固后期出現(xiàn)大量的枝晶并搭接成完整的骨架時(shí)，如果枝晶骨架被拉開的速度很慢得不到金屬液的補(bǔ)充，鑄件就會(huì)出現(xiàn)裂紋。并且在后續(xù)氣割冒口、調(diào)質(zhì)處理、焊接后等多重應(yīng)力疊加后在窩底位置也加重了裂紋缺陷產(chǎn)生，見圖5，“T”字筋及“十”字筋部位容易存在質(zhì)量缺陷[4-5]，尤其是窩底處的“十”字筋關(guān)鍵部位。所以，需要重新調(diào)整凝固方式保證此部位質(zhì)量。

圖5 頂梁柱窩剖切后的縮孔及裂紋缺陷

3 工藝優(yōu)化

“十”字筋熱節(jié)部位在凝固后期由于冒口根部已經(jīng)凝固，從而形成了孤立液相區(qū)，冒口內(nèi)鋼水不能有效補(bǔ)縮。如果通過增大冒口尺寸提高冒口補(bǔ)縮能力，則降低了鑄件出品率，生產(chǎn)成本隨之增加。

如果通過外冷鐵工藝調(diào)整鑄件凝固順序，讓“十”字筋熱節(jié)部位先于冒口凝固，無疑是一種更好的選擇。外冷鐵類型和尺寸：方形直接外冷鐵，長(zhǎng)×寬=75 mm×75 mm，厚度25 mm。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于硅砂批次及澆注溫度等因素不穩(wěn)定，在窩底部位常常伴隨著夾砂缺陷產(chǎn)生。通過在窩底處使用鉻礦砂，不僅可以提高窩底表面質(zhì)量，也可以對(duì)上部“十”字筋處熱節(jié)起到激冷作用。調(diào)整后的鑄造工藝見圖6。

圖6 工藝優(yōu)化后的頂梁前柱窩模型(頂梁后柱窩同)

4 工藝優(yōu)化后的模擬結(jié)果分析

按照?qǐng)D6所示把柱窩的三維模型圖重新導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中，進(jìn)行凝固模擬分析，結(jié)果見圖7。從圖7可以明顯看出“T”字及“十”字筋部位縮孔、縮松缺陷已經(jīng)消除。

5 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了生產(chǎn)試制，后續(xù)對(duì)頂梁柱窩進(jìn)行了超聲波檢測(cè)以及破壞性試驗(yàn)[6]，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，見圖8。經(jīng)支架壓力試驗(yàn)后，沒有出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

圖7 凝固結(jié)束后的效果

圖8 使用鉻礦砂后的柱窩窩底及剖切截面

6 結(jié) 語

1) 利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件對(duì)柱窩鑄造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬可快速、有效地判斷鑄件內(nèi)部缺陷位置，并為下一步工藝方案優(yōu)化提供理論參考。

2) 在不增加冒口尺寸的情況下，通過安放外冷鐵調(diào)整凝固順序，從而得到完整的內(nèi)部組織，經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，柱窩質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3) 針對(duì)柱窩在砂型鑄造中普遍存在的窩底結(jié)疤問題，使用鉻礦砂可有效避免，同時(shí)可以對(duì)上部“十”字筋處熱節(jié)起到激冷作用，使組織具有較高的致密性。