基于Anycasting的動臂支架鑄件優(yōu)化模擬

陳 流 劉 杰

（貴州詹陽動力有限公司，貴州 貴陽550006）

挖掘動臂支架是高速多功能搶險工程車上的重要部件，它是挖掘動臂在工程車車架上的支撐零件，使挖掘動臂在進行挖掘作業(yè)時，能夠左右擺動來擴大挖掘作業(yè)面積。從該零件使用的情況上看，該零件受力大、強度要求高的零件，零件材料為ZG270-500，在加工孔的位置不允許有鑄造缺陷。由于該零件與車架和挖掘動臂的非加工接觸面較多，因此鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高。而在鑄造過程中由于鑄件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，泥芯數(shù)量多，鑄造難度大，極易產(chǎn)生變形，尺寸精度難以保證，且冒口尺寸大，導(dǎo)致精整打磨工作量大。本文運用Pro/E軟件對挖掘動臂支架進行三維建模，運用Anycasting模擬軟件進行充型和凝固過程模擬分析，解決挖掘動臂支架鑄件鑄造過程中的成形及工藝難題，為同類鑄件的生產(chǎn)提供參考。通過CAD、CAE技術(shù)的應(yīng)用，縮短工藝設(shè)計、驗證及產(chǎn)品制造的周期，降低生產(chǎn)成本[1-2]。

1 原有鑄造工藝簡介

挖掘動臂支架是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄鋼件，鑄件重量為230kg，鑄件最大尺寸為839mm。對不能使用冒口進行補縮的加工孔位置，為使其內(nèi)在不產(chǎn)生縮孔等缺陷，在需要加工孔的位置使用內(nèi)外冷鐵來加快該部位冷卻，保證其先凝固，以確保該部位的內(nèi)在質(zhì)量。工藝三維模型圖如圖1所示。

圖1 原工藝方案

2 原工藝方案模擬分析

運用Pro/E軟件對挖掘動臂支架、冒口、澆注系統(tǒng)以及冷鐵進行三維建模并進行裝配，以STL文件格式導(dǎo)出，然后在Anycasting環(huán)境下導(dǎo)入各部分的STL文件。在AnyPRE環(huán)境下進行前處理，設(shè)置各部分屬性，按照AnyCasting模擬軟件網(wǎng)格劃分規(guī)則，使用非均勻網(wǎng)格功能將鑄件劃分為1005268個單元。任務(wù)設(shè)置選用砂型鑄造，分析類型選擇為充型分析及充型前后的熱/凝固分析。工藝條件見表1，熱傳遞系數(shù)見表2。

表1 工藝條件

表2 熱傳遞系數(shù)

2.1 充型過程模擬結(jié)果分析

由于原工藝方案采取的是頂注式澆注，故可能在型腔底部發(fā)生旋流，圖2是充型過程中的速度場分析，從圖中可以明顯看出在澆注開始階段鑄件的底部鋼液會產(chǎn)生旋流，容易造成夾砂、卷氣缺陷。Anycasting軟件中在充型模擬中還加入了粒子追蹤分析結(jié)果，能更直觀的看到液流進入型腔后的流動情況[3]，圖3為充型過程中的粒子追蹤分析。

圖2 充型過程的速度場分析

圖3 充型過程的粒子追蹤

2.2 凝固過程模擬結(jié)果分析

圖4是該鑄件的凝固過程分析圖，從圖中可以看出在凝固的最后階段，鑄件的厚大熱節(jié)處及腰圓形冒口處出現(xiàn)孤立的液相區(qū)域，在非冒口區(qū)域出現(xiàn)孤立液相區(qū)極易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。圖5為根據(jù)殘余熔體模數(shù)判據(jù)得到的縮孔缺陷圖，可以看到在腰圓形冒口的根部以及底部的熱節(jié)處會產(chǎn)生縮孔缺陷，影響鑄件質(zhì)量。

圖4 主要的孤立液相區(qū)域

圖5 原工藝缺陷

3 鑄造工藝優(yōu)化及模擬

根據(jù)Anycasting充型過程模擬分析的結(jié)果，原工藝方案的澆注系統(tǒng)在充型過程中容易形成旋流，造成夾砂、卷氣缺陷，本文認為應(yīng)將澆注系統(tǒng)改為底注式，改進后靠近底部澆口的冷鐵取消，在底部加工孔位置處的縮孔缺陷，可添加新的冷鐵進行控制。改進后工藝方案如圖6所示。

圖6 工藝優(yōu)化方案

對改進后的工藝方案進行充型過程及凝固過程模擬分析，發(fā)現(xiàn)底部式澆注液流進入型腔后緩慢上升，充型平穩(wěn)，不會對砂型造成沖刷現(xiàn)象，可以減少夾砂、卷氣缺陷，底部加工孔位置處的縮孔缺陷也得到了相應(yīng)的控制。少量縮松缺陷位于非加工孔位置處，滿足鑄件使用的需要。

4 結(jié)論

基于Anycasting鑄造模擬軟件得到的充型、凝固過程模擬結(jié)果以及缺陷情況與實際生產(chǎn)情況吻合，通過CAD、CAE技術(shù)的應(yīng)用，可以減少鑄造行業(yè)工藝設(shè)計及優(yōu)化的時間，節(jié)約試驗生產(chǎn)成本。

［1］唐玉林.圣泉鑄工手冊［M］.東北大學(xué)出版社，2006.

［2］施廷藻，王玉瑋.鑄造使用手冊［M］.沈陽：東北工學(xué)院出版社，1998:1-228.

［3］王孝國，黃放.基于Anycasting的轉(zhuǎn)向泵殼體澆注系統(tǒng)優(yōu)化［J］.計算機應(yīng)用技術(shù)，2011，31（3）:217-219.