ZG310 大型座體的鑄造工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

張 杰

（太原科技大學 能源與材料工程學院，山西晉城 048011）

0 引言

在鑄件的實際生產(chǎn)中，會有諸多缺陷產(chǎn)生[1]，因此鑄造工藝方案設(shè)計及優(yōu)化對鑄件實際生產(chǎn)至關(guān)重要[2]。鑄造工藝方案的優(yōu)劣[3]，對產(chǎn)品品質(zhì)會產(chǎn)生重要影響。

ZG310-570 座體零件的輪廓尺寸為：1160mm×1430mm×810mm，重量為2600kg，屬大型件。零件總體結(jié)構(gòu)較為復雜，鑄造難度系數(shù)大，其中主體部位包含1 個長軸孔，2 個半孔，需要砂芯成形。底部為大平臺，同時有4個加強筋薄壁結(jié)構(gòu)。座體具有結(jié)構(gòu)復雜，薄壁筋多等特點，在鑄造成形過程中很容易出現(xiàn)欠鑄、縮孔及縮松、變形和熱裂等缺陷[4，5]，從而影響產(chǎn)品合格率。因此，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件AnyCasting 仿真座體的溫度場、鑄造工藝，來降低缺陷出現(xiàn)的概率，從而提高鑄件質(zhì)量。

零件材料為ZG310-570，屬鑄造合金鋼，該材料具有良好的力學性能，材料的可焊性好，易于機械加工等。其中Mn 元素能降低鋼的共析溫度，細化珠光體組織，并增加珠光體含量，提高鋼的強度和耐磨性，但同時也降低鋼的塑性。

根據(jù)機械部的標準《重型機械通用技術(shù)條件鑄鋼件JB/T 5000.6-2007》，其化學成分如表1。

表1 ZG310-570 化學成分 w/%

圖1 為座體的3D 實物圖，零件的最厚部位約為305mm，最小壁厚為50mm，最大孔徑為?410mm，最小孔徑為?32mm，鑄件厚部容易出現(xiàn)熱節(jié)部位，易產(chǎn)生縮松縮孔缺陷。

圖1 座體的3D 模型圖

1 零件結(jié)構(gòu)特點分析

2 座體鑄造工藝方案設(shè)計

2.1 澆注位置的確定

鑄件的澆注位置是指鑄件在鑄型中澆注時的位置，因為座體是大型鑄件，其在凝固過程中因收縮大，易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷；結(jié)合在選擇澆注位置時要有利于鑄件實現(xiàn)順序凝固，有利于減少砂芯數(shù)量和加強冒口補縮作用的原則，綜合考慮鑄件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特性，為力求金屬液流平穩(wěn)同時減少縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生，故鑄件采用開放式底注式澆注系統(tǒng)。

根據(jù)表2 中列出的鑄件分型面位置，綜合比較選擇方案b 的位置為最終的分型面且澆注位置選擇方案d，即造型時分型面選擇方案b，澆注時采用方案d 立起來澆注。

表2 分型面位置優(yōu)缺點對比

2.2 澆注位置的確定

鑄鋼的共有特點是熔點高、流動性差、收縮大、易氧化、有夾雜物，在鑄造時要求澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、截面積大，使充型快而平穩(wěn)，流股不宜分散，有利于鑄件的順序凝固和冒口的補縮，不應(yīng)阻礙鑄件的收縮。絕大多數(shù)工廠使用保溫性能好、阻渣能力強的底注包澆注，用底注包澆注時，澆注系統(tǒng)必須是開放式的，直澆道不被充滿，保證鋼液不會溢出澆道以外[6]。根據(jù)以上原則確定座體的澆注系統(tǒng)類型。

以包孔截面積為基準，參照下述澆口比確定澆注系統(tǒng)各組元截面積，ΣS包孔:ΣS直:ΣS橫:ΣS內(nèi)=1:（1.8～2）:（1.8～2）:（2.0～2.5），直澆道采用圓形截面，確定橫澆道截面形狀為圓形，大型鑄鋼件的內(nèi)澆道多用圓形，其各自澆道的大小如圖2。

圖2 澆注系統(tǒng)各組元截面示意圖

從而 口并運用三次方程法計算冒口尺寸。為增加鑄件局部冷卻速度，在型腔內(nèi)部及工作表面安放冷鐵。

因此根據(jù)上述分析經(jīng)過計算，設(shè)計了較合理的澆注系統(tǒng)方案，如圖3 所示；采用底雨淋式的內(nèi)澆道布置方式，在鑄件底部布置了4 個內(nèi)澆口，使用2 塊冷鐵。

圖3 座體澆注系統(tǒng)3D 圖

3 鑄件工藝數(shù)值模擬

首先，根據(jù)計算結(jié)果在Pro/E 軟件中繪出座體的3D 澆注模型，并輸出中間文件，導入數(shù)值模擬軟件中進行仿真模擬。預計劃分可變網(wǎng)格的數(shù)量為1000 萬，圖4 為數(shù)值仿真有限元模型網(wǎng)格劃分圖。為了保證高溫出爐、低溫澆注的原則，座體鑄造時的熔煉溫度選擇1620℃，澆注溫度選擇1560℃。澆注時間為72s，呋喃樹脂砂和初始溫度設(shè)定為25℃；模鑄型的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)選擇為500W/（m2·K）。參數(shù)設(shè)定好后，采用SOR 迭代法對鑄件充型凝固過程進行數(shù)值模擬求解。

圖4 座體的網(wǎng)格劃分模型

ZG310 座體在凝固冷卻過程中收縮量大，為了防止鑄件中壁厚較大的位置出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷，需要經(jīng)過數(shù)值模擬分析；圖5 為座體鑄件在凝固過程中不同時間的溫度場。

由圖5 可見在鑄件的凝固初始階段，遠端邊緣部分最先開始凝固，圖5a 為固相率為30%，鑄件上下邊緣中間尺寸小的薄壁處逐漸開始凝固；圖5b 為固相率為70%時，頂部冒口也逐漸開始凝固；圖5c 為固相率為98%時，冒口靠近下部中心圓孔區(qū)域為最后凝固區(qū)，完全凝固時間為12499s。

圖5 鑄件不同固相率下的溫度場（℃）

4 鑄件缺陷分析

由RMM 判據(jù)得到座體鑄件的概率參數(shù)缺陷分布情況如圖6 所示，該工藝方案得到的仿真結(jié)果顯示座體基本無明顯的縮孔縮松，大部分的縮孔縮松主要集中在冒口。這也驗證了該鑄造工藝方案的合理性，促進了鑄件的順序凝固合理化，避免了鑄造缺陷的出現(xiàn)。

圖6 概率缺陷參數(shù)分布圖

5 結(jié)論

（1）座體鑄造工藝方案采用開放式底注式澆注系統(tǒng)，直澆道、橫澆道及內(nèi)澆道斷面比例合理，確保了充型平穩(wěn)，補縮能力強。

（2）工藝方案經(jīng)過數(shù)值仿真后，補縮通道保持暢通，補縮功能得到改善。

（3）概率參數(shù)缺陷分布情況表明，鑄件未出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷，可以滿足生產(chǎn)及實際使用要求。