支座凝固模擬及鑄造工藝輔助設計

劉艷明，張江峰，張安義

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003；2.西安航空動力控制有限公司，陜西 西安 710077）

支座做為支撐結構在機械行業廣泛使用，在鑄造生產過程中往往要反復試驗才能確定最佳工藝。利用模擬軟件anycasting進行凝固模擬，確定出凝固進程，找出熱節部位[1]，最終確定了合理的澆冒系統，從而縮短了工藝進程[2-3]。

1 支座結構分析

支座的材料為ZG70C r 29，其外形如圖1所示，輪廓尺寸為160mm×100mm×135mm，平均壁厚18mm，最大壁厚20mm，屬于中小型鑄件；結構對稱，形狀比較簡單，壁厚大體均勻，綜合考慮各生產要素，選用成本較低的砂型鑄造。

2 鑄造凝固模擬輔助設計

2.1 鑄件凝固模擬

對未做工藝的鑄件進行凝固模擬，目的是為了預測熱節和凝固順序，為后續工藝設計提供指導。在Pro/E中繪制好三維零件圖，設置合適的弦高并以STL的格式保存，導入到前處理模擬軟件中，對鑄件進行網格劃分，網格步長2mm×2mm×2mm，總網格數為67.5萬。鑄型材料為呋喃樹脂，鑄型初始溫度為25℃，由于鑄鋼流動性差，所以澆注溫度不能太低，設定為1560℃，砂型與周圍環境的換熱系數為1450W/m，并設置好其他相關參數。隨后進行求解后處理，可以直觀地看到鑄件的凝固過程，通過模擬預測出凝固進程，從而可以科學合理地設計澆冒系統。

圖1 支座外形圖

2.2 帶澆注系統的凝固模擬

通過模擬發現兩壁與底板的連接處凝固時間較晚，這是由于相互交叉比較厚大，散熱速度比較慢，不能得到液態金屬的有效補縮，可能會生成縮松、縮孔。為此采用底注式澆注，將內澆道與底板直接相連，使得底板的熱節轉移到澆注系統當中，對縮孔能起到一定的補縮作用。在底板上再設置一塊冷鐵，尺寸為30mm×30mm×10mm，以進一步加快散熱，縮短凝固時間。底注式澆注時金屬液流動平穩，對鑄型沖擊小，卷氣和飛濺較小，也有利于提高鑄件質量。支座的澆注系統設計如圖2所示，兩個內澆道，兩個橫澆道，兩個直澆道，各澆道尺寸見表1。為了簡化鑄造工藝，鑄件兩側的圓孔在鑄造完畢后，用機加工的方法加工出來。將三維零件圖以STL格式導入模擬軟件，然后進行網格剖分，網格步長2mm×2mm×2mm，總網格數為70萬。然后進行模擬計算，凝固模擬如圖3所示。

圖2 支座澆注系統設計圖

表1 各澆道尺寸澆道 （mm）

圖3 底注式澆注系統的凝固順序

從鑄件的凝固順序圖中可以看出，鑄件兩個澆道設置使得熱量分布相對均勻，鑄件最后凝固的部位為通孔的部位，可以看到此時該部位還未完全凝固，出現了一個孔狀的熔融金屬區域，原因是此處有加強肋，增加了壁厚，降低了散熱速度，所以為最后凝固的部位，得不到其他區域的金屬液補縮，可能會產生縮松、縮孔缺陷。為此在兩側各設置一個側冒口，這樣冒口的壁厚大于側壁，側壁基本不會出現熱節，使得最后凝固部位轉移到冒口中，凝固缺陷也轉移在冒口中。

2.3 帶有冒口的澆注系統的凝固模擬

兩壁處各設置一個冒口，尺寸為高65mm，直徑40mm.以防止產生縮孔縮松等鑄造缺陷。側壁兩內側各設置一內冷鐵，尺寸為：30mm×25mm×10mm，以加快側壁散熱，縮短凝固時間，這樣就使得側壁先于冒口凝固，形成合理的凝固順序和補縮通道[4-5]，設計如圖4所示。

將設計了冒口的澆注系統的三維工藝圖進行凝固模擬，發現整個鑄件的凝固次序有了明顯變化，側壁凝固溫度大大降低，最后凝固區域基本轉移到冒口當中，表明鑄造工藝設計是科學合理的。其凝固順序見圖5.

圖4 澆冒口系統設計

圖5 帶冒口的澆注系統的凝固順序

3 結 論

1）凝固模擬可以預測出凝固熱節及最后凝固部位，從而為合理設計澆注系統、冒口提供了有力指導。

2）鑄件凝固過程數值模擬可以在短時間內實現虛擬鑄造凝固，能夠直觀地反應出鑄件的整個凝固過程，大大降低了生產成本，縮短了工藝試制周期。

3）合理設計澆冒系統可以有效改變凝固順序，將最后凝固的部位轉移到冒口當中，提高產品合格率。

［1］程軍.計算機在鑄造中的應用［M］.北京：機械工業出版社，1993.

［2］柳百成，荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質量控制［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［3］黃列群，沈永化，潘杰.鑄件凝固數值模擬的研究現狀及發展趨勢［J］.機電工程，1997（5）：56-58.

［4］王文清，李魁盛.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［5］Niyama.E A Method of Shrinkage Prediction and Its Application to Steel Casting Practice ［J］.AFS Intertion Casting Metals Journal，1982（9）：52-63.