基于CAE的軸承座鑄件熔模鑄造工藝改進

李世嘉，龐爾楠

（山西機電職業技術學院，山西長治 046011）

當前鑄造過程計算機數值模擬技術已經在鑄造生產中得到廣泛應用，該技術的應用對提升傳統鑄造產業起到了很大的作用。通過計算機模擬生產，動態的顯示了鑄件生產充型和凝固的全過程，從而可以預測鑄件缺陷、優化鑄造工藝和提高產品質量[1-3]。本文利用華鑄CAE軟件，以某企業典型熔模鑄件的工藝改進過程為實例，介紹了CAE模擬軟件在產品工藝改進過程中的應用。

1 鑄件結構及工藝特點分析

某廠生產的出口軸承座鑄件，輪廓尺寸：260 mm×150 mm×150 mm，平均壁厚15 mm，單件質量約為7.1 kg，其結構如圖1所示。該鑄件整體壁厚相差不大，但鑄件結構比較復雜。在鑄件A部位要沿箭頭方向機械加工注油孔，潤滑油由此孔注到鑄件內部儲油位置B，為了避免漏油等問題，鑄件在此位置不得有縮孔和裂紋等缺陷，鑄件100%要進行X光檢查。鑄件尺寸精度要求較高，鑄件尺寸公差要求按GB6414-86的CT6驗收。

圖1 軸承座鑄件

初步分析鑄件結構，發現鑄件多處型壁相交部位存在熱節，主要比較集中的熱節部位見圖2所示C、D兩個部位和本方案澆口部位，這幾個熱節部位分散，相互孤立。對于熔模小型鑄鋼件，為了保證鑄件熱節處不產生縮孔或縮松缺陷，熱節處一般通過設置澆口來補縮，原則上有幾個熱節則需開設幾個內澆口（一般不設置冒口）[4]。針對本鑄件原來采用了如圖2所示的澆冒口設計方案[5]，鑄件內澆口開設位置見圖2.

圖2 鑄件原工藝方案1

2 模擬過程及結果分析

2.1 網格剖分及主要工藝參數

采用華鑄CAE純凝固傳熱計算進行工藝優化，基于“瞬間充型，初溫均布”的假設[6]。

計算分析之前，首先要對鑄件及澆冒口系統進行網格剖分。采用均勻網格剖分，原工藝方案1設定網格大小3 mm，網格總數為1217216.改進工藝方案2設定網格大小2.5 mm，網格總數為2146560.

主要工藝參數：

1）零件材料：美國一般工程用鋼ASTMA27450-240，對應于國內鋼鐵材料為ZG230-450：液相線溫度：1516℃，固相線溫度：1400℃；

2）型殼材料：水玻璃涂料+石英砂，共6層，型殼厚度8 mm；

3）硬化劑：氯化銨溶液；

4）工藝參數：出爐溫度：1600℃～1620℃，澆注溫度：1530℃～1550℃，澆注時間：16 s～18 s，工藝出品率：46%；

5）型殼溫度：700 ℃.

2.2 原工藝方案1模擬結果及分析

從圖3b）（圖中淺色實體顯示為液相區，線框輪廓顯示為鑄件及澆注系統）可以看到，鑄件在凝固時間t=149.48 s時，箭頭指示鑄件區域就有孤立液相產生，這正是圖2所示鑄件C、D位置。該部位最終產生縮孔（松）缺陷的可能性很大。如圖4所示為鑄件的最終縮孔縮松分布（圖中淺色實體顯示為縮松，深色實體顯示為縮孔，線框輪廓顯示為鑄件及澆注系統），從圖4可以看到，圖3b）箭頭指示區域上有縮孔、縮松缺陷產生。分析缺陷產生的原因是，鑄件存在多個孤立分散的熱節，澆注系統難以補縮遠離內澆口的熱節部位（圖2所示鑄件C、D位置），最終導致該熱節部位產生縮孔、縮松缺陷。

圖3 原工藝方案1凝固模擬結果

圖4 原工藝方案1縮孔縮松分布

2.3 改進的工藝方案2模擬結果及分析

利用華鑄CAE軟件進行了多種方案的嘗試，綜合考慮鑄件本身結構、鑄件工藝出品率和實際生產過程的可操作性等因素，但結果都不盡如人意，主要問題是，在不增設太多內澆口或冒口的前提下，如何保證鑄件熱節處補縮順暢。后來通過和客戶溝通，在不影響鑄件使用性能的前提下，改變鑄件的結構，如圖5將鑄件圖示E部位3個凹槽深度逐漸變淺，離內澆口最近的凹槽深度最淺，離內澆口最遠的凹槽深度最深；也就是使鑄件離內澆口最近的部位壁厚最大，離鑄件內澆口漸遠的部位壁厚逐漸減薄，鑄件遠離內澆口的C、D部位與內澆口之間的補縮通道變得順暢，鑄件凝固過程遵循順序凝固的原則。改進后的鑄件結構如圖5a）所示，與原來鑄件結構的不同之處從圖5可以清晰地看到。

圖5 改進后的鑄件和原鑄件結構比較

圖6 （圖中淺色實體顯示為液相區，線框輪廓顯示為已凝固的鑄件及澆注系統）是改變鑄件結構后的凝固模擬結果，可以看到鑄件凝固過程自始至終沒有看到孤立液相區，鑄件遠離內澆道的C、D部位得到了充足的補縮，鑄件的凝固過程滿足順序凝固的原則。改進后方案的縮孔縮松分布如圖7所示（圖中淺色實體顯示為縮松，深色實體顯示為縮孔，線框輪廓顯示為鑄件及澆注系統），從圖7可以看到，相比前一種方案，鑄件本體縮松體積明顯減少，縮孔全部消失，縮孔全部轉移到澆注系統上，故此工藝方案可行。

圖6 改進后的工藝方案2凝固模擬過程

3 生產驗證

按改進后的工藝方案2組裝好的蠟模組樹如圖8所示，每個蠟模組焊兩個鑄件。實際生產的軸承座鑄件如圖9所示，經過鑄件外觀尺寸檢查、磁粉探傷和X光檢查項目的檢查，鑄件質量符合客戶要求。

圖7 改進后的工藝方案2縮孔縮松分布

圖8 鑄件蠟模組樹

圖9 實際生產鑄件

4 結論

1）在綜合考慮鑄件結構性、實際生產的便利性和工藝出品率等因素，在不改變工藝方案的情況下，通過改變鑄件結構，優化了鑄造工藝方案。

2）應用CAE軟件對軸承座鑄件工藝方案進行凝固過程模擬，根據模擬結果，最終確定工藝方案。利用CAE進行熔模鑄造工藝輔助設計，既節約工藝開發時間，又節省生產成本。按此方案在實際生產中獲得了滿足客戶要求的合格鑄件。

［1］周建新，劉瑞祥，陳立亮，等.鑄造CAE技術在熔模鑄造中的應用［J］.中國鑄造裝備與技術，2004（4）：18-20.

［2］盧永祥，師素粉.基于ProCAST的熔模鑄造工藝改進［J］.鑄造技術，2011（4）：590-593.

［3］楊世洲，陳攀.華鑄CAE軟件在熔模鑄造中的應用［J］.西華大學學報（自然科學版），2010（10）：75-78.

［4］許云祥.設計合理的澆注方案以保證充填和補縮［J］.特種鑄造及有色合金，2003（4）:50-54.

［5］柳百成，黃天佑.中國材料工程大典:材料鑄造成形工程［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［6］華中科技大學.華鑄CAE用戶手冊［M］.武漢：華中科技大學出版社，2009.