華鑄CAE軟件在鑄件澆注工藝優(yōu)化上的應(yīng)用

■郭兆東， 倪桂蘭， 司端成

華鑄CAE軟件在鑄件澆注工藝優(yōu)化上的應(yīng)用

■郭兆東， 倪桂蘭， 司端成

導(dǎo)柱在機(jī)械壓力機(jī)中是配合導(dǎo)套一起使用的，帶動(dòng)滑塊做平行于立柱導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)的部件，是機(jī)械壓力機(jī)重要的工作機(jī)構(gòu)，如圖1所示。該產(chǎn)品對內(nèi)在質(zhì)量有很高的要求，一般采用球墨鑄鐵生產(chǎn)，加工后內(nèi)外表面不得有縮孔、縮松、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，否則在傳動(dòng)過程中易產(chǎn)生斷裂、漏油等問題，影響后續(xù)工作的進(jìn)行，進(jìn)而影響壓力機(jī)質(zhì)量。該鑄件為我公司重點(diǎn)關(guān)注件，由于對內(nèi)在質(zhì)量要求較高，不易產(chǎn)成，廢品率較高。為提高鑄件質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，我們將華鑄CAE數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)中去，選擇出了最佳澆注工藝。

1. 雨淋式工藝模擬分析

金屬液從鑄件頂部的許多小孔漏入型腔的澆注系統(tǒng)稱為雨淋式澆注系統(tǒng)。該系統(tǒng)撇渣良好，與一般頂注相比，對型腔的沖擊較小；雨淋孔分布均勻且大小適當(dāng)，可保證鑄件內(nèi)外表面質(zhì)量，四周溫度均勻。導(dǎo)柱外輪廓尺寸為φ300mm×1300mm，最大壁厚為140mm，其余壁厚為70mm。我公司曾嘗試選用該澆注系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)柱的生產(chǎn)，倒置立式分型，呋喃樹脂砂造型及制芯，頂部選用兩個(gè)φ50mm出氣道，鑄型底部及型壁鋪石墨冷鐵，在澆道、冒口及型腔噴涂石墨基涂料，鐵液初始澆注溫度定為1450℃，鑄型的初始溫度為20℃。

采用華鑄CAE模擬軟件分析某一時(shí)刻鑄件的凝固過程如圖2所示，發(fā)現(xiàn)在鑄件頂部、底部等最后凝固的部位均出現(xiàn)縮孔和縮松缺陷。

分析得知，這是因?yàn)檫x用的出氣道不能完全滿足鑄件補(bǔ)縮所需的鐵液，且由于所選澆注系統(tǒng)使得小股鐵液不斷地沖擊金屬液面，使得凝固過程變得緩慢。底部厚大部位由于補(bǔ)縮通道被截?cái)?，不能得到有效補(bǔ)縮，最終導(dǎo)致縮孔、縮松的產(chǎn)生，這一現(xiàn)象和實(shí)際生產(chǎn)中所產(chǎn)成的鑄件缺陷完全吻合，從而印證了華鑄CAE軟件的模擬效果。球墨鑄鐵是糊狀凝固方式，故在鑄造工藝上應(yīng)采用冒口對球墨鑄鐵件的熱節(jié)共晶凝固前期進(jìn)行液態(tài)補(bǔ)縮，后期的共晶膨脹通過冒口頸的凝固及鑄型型壁硬度，可以適當(dāng)?shù)厥硅T件致密，本工藝沒有實(shí)現(xiàn)這一效果，從而導(dǎo)致廢品的出現(xiàn)。

2. 階梯式工藝模擬分析

在鑄件的幾個(gè)高度面上都設(shè)有內(nèi)澆道的澆注系統(tǒng)稱為階梯式澆注系統(tǒng)。該系統(tǒng)金屬液注入型腔自下而上分層順序進(jìn)行，直澆道不能封閉；內(nèi)澆道分層分散，金屬液對型底的沖擊力小，充型平穩(wěn)，鑄件上部可獲得溫度較高的金屬液，有利于補(bǔ)縮，又不致造成鑄型嚴(yán)重的局部過熱現(xiàn)象，兼有頂部注入和底部注入的優(yōu)點(diǎn)，但造型復(fù)雜，金屬液消耗較多。

圖1　機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2　雨淋式工藝模擬效果

經(jīng)過我公司工藝人員進(jìn)行工藝調(diào)整，根據(jù)熱節(jié)圓法和模數(shù)法確定直徑80m m、高度為220m的兩個(gè)明冒口補(bǔ)縮。直澆道選取φ60mm，橫澆道選取45/50mm×40mm，φ35mm分直澆道2道及φ30mm內(nèi)澆道6道。采用同上的澆注溫度及初始鑄型溫度。鑄型底部及型壁鋪240mm×120mm×60mm石墨冷鐵若干，在澆道、冒口及鑄件型腔等處噴涂石墨基涂料。

我們知道，鑄件的缺陷主要是縮孔和縮松，而這些缺陷大都是在鑄件凝固過程中形成的，顯微縮松容易發(fā)生在鑄鐵最后凝固區(qū)域，簡稱LTF（Last to Freeze）區(qū)域。華鑄CAE軟件模擬某一時(shí)刻導(dǎo)柱的定量縮孔如圖3所示，可見鑄件的最后凝固部位是在其頂部和底部厚大部位。隨著凝固過程的進(jìn)行，鑄件頂部能夠從所設(shè)置的冒口處得到有效補(bǔ)縮，故形成縮孔、縮松的幾率較?。昏T件底部雖然和冒口距離較遠(yuǎn)，但由于設(shè)計(jì)的冒口尺寸及位置恰當(dāng)，底部厚大部位也得到了有效補(bǔ)縮，利用CAE自帶的縮孔、縮松判據(jù)，可以直觀地看到只在鑄件的中部小范圍出現(xiàn)幾處縮松缺陷，所生產(chǎn)的實(shí)體件與模擬效果基本相符。

圖3　階梯式工藝模擬效果

3. 結(jié)語

華鑄CAE工藝分析軟件能準(zhǔn)確、形象地描述鑄造凝固過程，預(yù)測凝固缺陷，從而為判斷工藝方案的可行性提供科學(xué)依據(jù)，達(dá)到快速高效的目的。針對我公司導(dǎo)柱生產(chǎn)并通過兩種不同生產(chǎn)工藝的對比發(fā)現(xiàn)：采用階梯式澆注工藝所生產(chǎn)的導(dǎo)柱中縮孔、縮松、氣孔等缺陷較少，并可通過加大加工余量的方式予以降低，該工藝生產(chǎn)的鑄件廢品率較低。經(jīng)理化中心檢測符合機(jī)械壓力機(jī)生產(chǎn)力學(xué)性能要求，該工藝更適合導(dǎo)柱的生產(chǎn)。而雨淋式澆注系統(tǒng)操作復(fù)雜，生產(chǎn)的鑄件雖然外觀質(zhì)量好于階梯式系統(tǒng)，但經(jīng)過機(jī)械加工后發(fā)現(xiàn)內(nèi)在縮松、蜂窩式氣孔分布在整個(gè)鑄件端部及根部而無法使用，造成廢品。階梯式澆注工藝既簡化了操作又滿足了壓力機(jī)產(chǎn)品對鑄件的質(zhì)量要求。

［1］ 陳漱秋，等.砂型鑄造工藝及工裝設(shè)計(jì)［M］.北京：北京工業(yè)出版社，1979：79-80.

［2］ 周建新，劉瑞祥，陳立亮，等.華鑄CAE軟件在生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工人，2001，（8）：11-13.

［3］ 馬敏團(tuán)，郝偉. CAE分析技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用［C］. 2005全國計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)與應(yīng)用高級研討會(huì)，北京， 2005：28-32.

［4］ 張文和，丁俊，聶富榮.球鐵鑄件縮孔縮松的成因與防止［J］.鑄造工程師，2009（11）：66-67.

郭兆東、倪桂蘭、司端成，齊齊哈爾第二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司工藝室。