基于ProCAST 的行星架鑄造模擬及工藝優(yōu)化

徐 超,季德生，李嘉倩

（濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

行星架作為齒輪的承載結(jié)構(gòu)，也是行星傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件之一[1]，其重要結(jié)構(gòu)的鑄造質(zhì)量會(huì)在一定程度上影響各個(gè)行星輪的載荷分配。同時(shí)，會(huì)改變傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的承載能力、噪聲和振動(dòng)[2]。因此，設(shè)計(jì)行星架鑄件的鑄造工藝，需保證法蘭盤表面、圓筒內(nèi)壁、支撐結(jié)構(gòu)等重要構(gòu)件等不能存在鑄造缺陷[3]。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，運(yùn)用鑄造軟件Procast，通過對(duì)行星架鑄件充型、冷卻過程中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、凝固場(chǎng)等進(jìn)行模擬[4]，并對(duì)缺陷進(jìn)行分析，改進(jìn)鑄造工藝方案，從而達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短工藝周期，減少“試生產(chǎn)”次數(shù)的目的。

1 工藝分析

行星架選用ZG35CrMo 材料，基本輪廓大小為1260mm×1260mm×647mm。其結(jié)構(gòu)整體對(duì)稱，壁厚較為均勻，壁厚最厚處為91mm，壁厚最薄處為44mm，質(zhì)量為1330.491kg，零件體積為0.619m3，行星架零件要求有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，作為齒輪的承載結(jié)構(gòu)要求具有較高的精度和耐磨性，對(duì)于鑄件內(nèi)部不能有縮松、縮孔等鑄造缺陷，零件模型采用CATIA 建立，如圖1 所示。

圖1 行星架三維模型

鑄鋼行星架鑄件采用開放式、底注式澆注系統(tǒng)，澆注時(shí)將鑄件正放，法蘭盤朝下，鋼液從底部下法蘭盤水平流入鑄件型腔內(nèi)，選用底注式方案(如圖2 所示)，6 個(gè)內(nèi)澆道設(shè)置在下法蘭盤（截面積為Ag=12cm2，∑Ag=12×6cm2=72cm2），此外設(shè)置了1個(gè)橫澆道（截面積為Aru=70cm2，∑Aru=70cm2），1 個(gè)直澆道（截面積為As=63.6cm2，∑As=63.6cm2），澆注系統(tǒng)各組元截面積比為∑Ah:∑As:∑Aru:∑Ag=1:2.25:2.47:2.54。因冒口一般設(shè)置在鑄件頂部，有助于重力補(bǔ)縮以及冒口區(qū)最后凝固，在鑄件上圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)置了1 個(gè)半球型暗頂冒口（D件取520mm，dy取91mm，H件取237.5mm，B1取1.2dy=109.2mm，R取0.48D件=249.6mm，H取237.5mm，H1取123.5mm，B1取144.16mm）；在連接上下法蘭盤的三個(gè)腿腳支撐結(jié)構(gòu)[5]，上部設(shè)置了3 個(gè)直徑為300mm、高度為450mm 的圓柱形暗頂冒口。同時(shí)在鑄件下圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)、外壁布置冷鐵，厚度均為30mm，在下法蘭盤3 個(gè)直徑為?160mm 的法蘭孔內(nèi)壁布置冷鐵，厚度為10mm，冷鐵材質(zhì)均為H13 鋼，以滿足鑄件在鑄造過程中的補(bǔ)縮和排氣需要。本方案選擇澆注溫度為1550℃，澆注時(shí)間為22s，此外由于鋼水流動(dòng)性較差，故對(duì)模具和砂箱的預(yù)熱溫度為300℃，以保證鑄件的充型。鑄鋼行星架的初始工藝方案如圖2 所示，經(jīng)計(jì)算初始方案的工藝出品率僅為η=59.7%。

圖2 初始工藝方案示意圖

2 工藝過程模擬及分析

2.1 前處理

使用CATIA 建立鑄件、澆注系統(tǒng)、補(bǔ)縮系統(tǒng)和激冷系統(tǒng)的三維模型[6]，導(dǎo)出格式為igs 格式。導(dǎo)入到ProCAST 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，一共劃分了1086208 個(gè)正面體網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格完成后，進(jìn)行鑄件材料設(shè)置，鑄鋼行星架材料為ZG35CrMo（需要自定義），材料的化學(xué)成分如表1[7]。澆注方式選擇重力鑄造，連續(xù)澆注，砂型材料選擇樹脂砂。

表1 ZG35CrMo 鑄鋼的化學(xué)成分 w/%

設(shè)置邊界參數(shù)：鑄件與砂型之間的界面換熱系數(shù)為600W/（m2·K），砂與砂之間的界面換熱系數(shù)為300W/（m2·K），冷鐵與砂型之間的界面換熱系數(shù)為600W/（m2·K），鑄件與冷鐵之間的界面換熱系數(shù)為1300W/（m2·K），砂箱與外界設(shè)置為空冷。

2.2 充型過程分析

對(duì)初始工藝方案的充型過程進(jìn)行分析，本文選取了充型過程溫度場(chǎng)、充型時(shí)間和充型過程中的壓力變化，對(duì)鑄件充型過程進(jìn)行分析。

圖3a、b、c 分別選取了t=5.9s、t=7.7s、t=19.4s時(shí)的充型過程溫度場(chǎng)圖。充型開始鋼液由底部?jī)?nèi)澆道流入型腔，當(dāng)t=5.9s 時(shí)，如圖3a 所示，鑄件充型完成30%左右，下法蘭盤被充滿，鋼液溫度在1502.1～1550℃之間，溫度比液相線溫度高。如圖3b t=7.7s 時(shí)，鋼液充滿3 個(gè)腿腳支撐結(jié)構(gòu)，時(shí)間不到2s，可見對(duì)于模具和砂箱的預(yù)熱，確保了鋼液在充型過程中具有較好的流動(dòng)性。t=19.4s 時(shí)，鑄件充型完畢，此時(shí)從圖3c 中看出鋼液溫度穩(wěn)定在1448～1550℃之間，說明鋼液在整個(gè)充型過程中溫度變化不大。由圖3d 充型時(shí)間圖可以看出，鑄件充型共用了19.43s，且同種顏色整體呈水平帶狀分布，即鑄件充型快速且平穩(wěn),鋼液液面波動(dòng)小，鋼液未飛濺。鑄件由下至上順序逐層充型，整個(gè)充型過程層次性明顯，無明顯澆不足的現(xiàn)象,整體充型效果較好。由于型砂有強(qiáng)度極限，就要求從內(nèi)澆道進(jìn)入型腔的壓力不能高于型砂強(qiáng)度，所以本文在底部?jī)?nèi)澆道中選取了6 個(gè)點(diǎn)如圖3e 所示，并繪制了壓力變化曲線，從圖3f 可以看出，所選取的點(diǎn)壓力峰值為1.25MPa，小于型砂強(qiáng)度1.5MPa，故在澆注過程中不會(huì)出現(xiàn)夾砂缺陷。

圖3 初始工藝模擬結(jié)果

2.3 缺陷預(yù)測(cè)分析

鑄件完全凝固時(shí)間為81504s，凝固完成后，針對(duì)鑄件出現(xiàn)的縮孔、縮松缺陷，本文依據(jù)溫度變化和凝固場(chǎng)，對(duì)缺陷進(jìn)行分析。

結(jié)合圖4a、b 可以看出，鑄件的縮孔、縮松缺陷分布在腿腳支撐結(jié)構(gòu)與下法蘭盤的連接過渡區(qū)，在初始方案中已經(jīng)設(shè)置了3 個(gè)圓柱形暗頂冒口，通過腿腳支撐結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)縮通道，對(duì)鑄件下半部分進(jìn)行補(bǔ)縮。這里選取其中一個(gè)腿腳支撐結(jié)構(gòu)，在其缺陷分布處由下至上等距選取6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，并繪制出圖4d 溫度與圖4e 固相分?jǐn)?shù)曲線，從圖4c中看出，凝固時(shí)間為1136s 時(shí)在鑄件出現(xiàn)缺陷的部位，形成了孤立液相區(qū)，由圖4d 看出凝固時(shí)間400～1200s，節(jié)點(diǎn)31046 的溫度高于節(jié)點(diǎn)8143、8373、14625，相同時(shí)間內(nèi)圖4e 節(jié)點(diǎn)31046 的凝固率低于節(jié)點(diǎn)8143、8373、14625，即支撐結(jié)構(gòu)由于中部區(qū)域壁薄率先凝固，一定程度上影響了圓柱形暗頂冒口的補(bǔ)縮效果，最終形成了缺陷。

圖4 初始工藝方案

3 工藝優(yōu)化

3.1 工藝優(yōu)化方案

鑄造時(shí)冒口區(qū)的凝固時(shí)間對(duì)鑄件質(zhì)量有著較大的影響。冒口凝固時(shí)間過早，則會(huì)導(dǎo)致鑄件凝固順序不合理,冒口先于鑄件壁厚較厚的部位凝固。若凝固過慢，則致密性差,不滿足工藝要求。為實(shí)現(xiàn)鑄件整體由下至上順序凝固。針對(duì)原方案出現(xiàn)的鑄造缺陷以及工藝出品率低的情況，對(duì)工藝進(jìn)行以下改進(jìn)：一是將圓柱形暗頂冒口高度調(diào)整為300mm，以提高鑄件工藝出品率和致密性；二是在3 個(gè)腿腳支撐結(jié)構(gòu)外壁設(shè)置保溫補(bǔ)貼（補(bǔ)貼材料為石棉），如圖5 所示，且經(jīng)計(jì)算工藝改進(jìn)后的鑄件工藝出品率為η=66.4%。

圖5 工藝優(yōu)化后冒口改進(jìn)和保溫補(bǔ)貼設(shè)置

3.2 工藝優(yōu)化后的方案模擬結(jié)果

優(yōu)化的工藝調(diào)整了冒口尺寸和設(shè)置了保溫補(bǔ)貼，其模擬結(jié)果如圖6。

經(jīng)過工藝改進(jìn)，由圖6a 看出鑄件本身的縮孔、縮松缺陷已經(jīng)基本消除，鑄件質(zhì)量有所提高，如圖6b 同樣選取了相同區(qū)域內(nèi)的6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，并繪制了圖6c 溫度與圖6d 固相分?jǐn)?shù)曲線，同一時(shí)刻支撐結(jié)構(gòu)由下至上溫度變高，且由下至上順序凝固，最終鑄件凝固時(shí)間縮短為31504s。

圖6 工藝優(yōu)化后的模擬結(jié)果

4 結(jié)論

（1）優(yōu)化前鑄件工藝出品率較低，模擬結(jié)果顯示在腿腳支撐結(jié)構(gòu)與下法蘭盤連接過渡區(qū)出現(xiàn)了縮孔、縮松缺陷，且鑄件完全凝固時(shí)間過長(zhǎng)。

（2）工藝優(yōu)化后，補(bǔ)縮通道暢通，鑄件本身縮孔、縮松缺陷基本消除，工藝出品率有所提高，完全凝固時(shí)間相較于優(yōu)化前大幅縮短，鑄件質(zhì)量有所提高。