基于ProCAST的銅斜楔鑄件的鑄造工藝優(yōu)化

范曉明,袁德裕,楊彥芳,熊映,程小奇(.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070; .武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430083）

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基于ProCAST的銅斜楔鑄件的鑄造工藝優(yōu)化

范曉明1,袁德裕1,楊彥芳2,熊映1,程小奇1
(1.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070; 2.武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430083）

摘要：在分析銅斜楔鑄件的原砂型鑄造工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)銅斜楔鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了改進(jìn)工藝方案，并采用ProCAST凝固模擬軟件進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果及試生產(chǎn)表明，采用一型兩件無冷鐵工藝生產(chǎn)銅斜楔鑄件的工藝簡(jiǎn)單，成品率高，鑄件質(zhì)量優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：銅斜楔；ProCAST模擬軟件；工藝設(shè)計(jì)

稿件編號(hào):1601-1234

某公司在生產(chǎn)銅斜楔鑄件時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)鑄件縮孔缺陷，需要大量焊補(bǔ)工作，不僅嚴(yán)重影響了鑄件質(zhì)量，而且增加了生產(chǎn)成本和交貨周期。根據(jù)該鑄件的特點(diǎn)，擬通過改進(jìn)工藝方案并采用ProCAST凝固模擬軟件進(jìn)行工藝優(yōu)化[1，2]，為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

1 銅斜楔鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求

圖1是銅斜楔的三維模型圖。其形狀扁長，厚度不均勻。最大長度為2 280 mm，寬度為120 mm，高度最大值為90 mm，最小值為15 mm，中間凸起的部分距邊22.5 mm。凸起的形狀如楔形，凸起上有孔。化學(xué)成分要求為8.0%～11.0%Al、4.0%～6.0%Fe、4.0%～6.0%Ni、其他合金元素1.2%，余為Cu。技術(shù)要求斜楔件表面平整，整體沒有彎曲，外部無明顯缺陷。鑄件內(nèi)部無收縮大于10%的孔洞，質(zhì)地致密。

圖1 銅斜楔的三維模型圖

2 銅斜楔鑄件的鑄造工藝方案模擬分析及優(yōu)化

2.1 原鑄造工藝方案分析

由于銅斜楔是扁長狀的鑄件，若每箱生產(chǎn)一件，鑄件的凝固收縮將使斜楔容易發(fā)生彎曲變形，從而讓最大面變成曲面，導(dǎo)致鑄件報(bào)廢，而且工藝出品率也較低。基于廠方生產(chǎn)條件，原砂型鑄造工藝方案中采用了一型三件，然后鋸切機(jī)加工。由于斜楔處較厚，造型時(shí)在一面安放冷鐵。對(duì)于銅斜楔結(jié)構(gòu)中的20個(gè)直徑小于40 mm的圓孔均不鑄出[3]。銅斜楔鑄件的材質(zhì)為CuAl10Fe5Ni5，屬于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中小型鑄件，其鑄造收縮率定為2%。加工面留有一定機(jī)械加工余量。根據(jù)銅合金鑄件生產(chǎn)要求及特點(diǎn)，原始工藝中采用了底部注入開放式澆注系統(tǒng)，即F直

圖2 原方案三維圖

由于該廠采用中頻爐熔煉，車間配有真空除氣罐，按技術(shù)要求使用優(yōu)質(zhì)原材料，故銅斜楔鑄件生產(chǎn)中材質(zhì)基本得到保證，鑄件所存在的主要問題是縮孔，有時(shí)一型三件僅僅底部的一件稍好，需要大量焊補(bǔ)。顯然，原始鑄造工藝的基本思路是正確的，不妥之處主要在于冒口設(shè)計(jì)和設(shè)置不太合理，導(dǎo)致鑄件補(bǔ)縮不到位；冷鐵的材質(zhì)和大小的選擇也可能存在問題。

2.2 改進(jìn)鑄造工藝方案及模擬分析

2.2.1 改進(jìn)鑄造工藝方案

由于該銅斜楔件斜楔部分較厚，而平板部分較薄，一型多件上部整體冒口不利斜楔部分的補(bǔ)縮。因此，確定只在斜楔部分設(shè)置分散冒口，且適當(dāng)加厚，以實(shí)現(xiàn)對(duì)斜楔部位的有效補(bǔ)縮。通過工藝分析，按冒口設(shè)計(jì)原則重新設(shè)計(jì)了一型兩件（方案Ⅰ）和一型三件（方案Ⅱ）兩種鑄造工藝方案，并對(duì)每種方案加冷鐵或不加冷鐵的凝固效果進(jìn)行了對(duì)比模擬分析。

方案Ⅰ。斜楔豎直放置，采用原方案的底注式澆注系統(tǒng)，一型兩件，斜楔的凸起放置在遠(yuǎn)離澆注系統(tǒng)的一側(cè)（見圖3.a）。鑄件中凸起的部分連接在一起，在其上方放置冒口[4]，在斜楔凸起處再往外延伸，高度100 mm（見圖3.b）。冷鐵放置在斜楔凸起部位，扁平處不加冷鐵。

方案Ⅱ。基本同方案Ⅰ，差別只是一型三件（見圖4）。

圖3 方案Ⅰ

圖4 方案Ⅱ

2.2.2 砂型鑄造銅斜楔鑄件模擬的前處理

首先，進(jìn)行三維實(shí)體造型及網(wǎng)格劃分。即在Pro/E中完成銅斜楔鑄件、澆注系統(tǒng)和鑄型的三維立體模型建模，裝配以及進(jìn)行三角形面網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出*.ans文件。運(yùn)行MeshCAST，設(shè)置工作目錄，在MeshCAST中載入上述文件。然后，設(shè)定模擬參數(shù)，確定初始條件及邊界條件。在ProCAST中，可以直接在軟件的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中讀取合金在不同溫度下對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)值。銅斜楔采用的是重力鑄造，設(shè)定其澆注溫度為1 180 ℃；砂型初始溫度為室溫；澆注的重力方向根據(jù)三維造型時(shí)所選取的基準(zhǔn)面而定，與速度方向一致。澆口的澆注速度設(shè)置為0.3 m/s。對(duì)于砂型鑄造，在設(shè)置傳熱邊界條件時(shí)，通常假設(shè)鑄件和鑄型之間無間隙，設(shè)定鑄件與鑄型之間的熱傳導(dǎo)換熱為500 W/(m2?K)，鑄件與冷鐵之間的熱傳導(dǎo)換熱為2 000 W/(m2?K)，冷鐵與鑄型之間的熱傳導(dǎo)換熱為1 000 W/(m2?K)。最后設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。銅斜楔屬于中小型鑄型，可設(shè)置總步數(shù)為8 000,其余參數(shù)均為默認(rèn)值。

2.2.3 工藝方案的模擬及結(jié)果分析

根據(jù)上述建立的數(shù)學(xué)物理模型以及確定的物性參數(shù)、邊界條件、初始條件以及運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)行DataCAST和ProCAST模塊進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，并通過Status監(jiān)測(cè)充型凝固狀態(tài)，由ViewCAST呈現(xiàn)整個(gè)充型凝固的動(dòng)態(tài)模擬。模擬結(jié)果分析主要針對(duì)鑄件充型過程圖、縮松縮孔分布圖等進(jìn)行分析，對(duì)工藝方案的可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而選擇最優(yōu)方案。

2.2.4 方案Ⅰ的充型過程模擬結(jié)果及分析

（1）采用一型兩件無冷鐵時(shí)，鑄件充型過程模擬如圖5.a～b。一型兩件放置冷鐵后的鑄件充型過程模擬如圖6.a～b所示。

圖5 一型兩件無冷鐵時(shí)鑄件的充型過程模擬

圖6 一型兩件有冷鐵工藝時(shí)鑄件充型過程模擬

從圖5和圖6中可以看出,在充型開始階段，金屬液從直澆道進(jìn)入橫澆道，經(jīng)過橫澆道減速后進(jìn)入多個(gè)并排的內(nèi)澆道進(jìn)入型腔，在型腔內(nèi)金屬液緩慢上升，最后充滿型腔。金屬液從內(nèi)澆道進(jìn)入鑄型的流動(dòng)速度都比較平穩(wěn)，沒有明顯沖砂的現(xiàn)象，充型順序是從底部開始均勻上升，有利于型腔內(nèi)氣體的排出，保持溫度的層流，基本呈現(xiàn)正向順序填充。

采用一型兩件不加冷鐵工藝的凝固時(shí)間如圖7.a，凝固后縮孔縮松的分布情況如圖7.b。由圖7.a中可以看出，最先凝固的部分為壁厚較薄的大平面，隨后凝固的是斜楔的凸起部分，最后凝固的部分是冒口。結(jié)果顯示冒口補(bǔ)縮作用良好。圖7.b深色部位表示縮孔縮松位置。由圖可知，縮孔主要集中在冒口和澆注系統(tǒng)中，斜楔鑄件內(nèi)部無縮孔，兩個(gè)件均符合要求。

圖7 一型兩件不加冷鐵凝固時(shí)間和縮孔縮松的分布情況

采用一型兩件加冷鐵工藝的凝固時(shí)間如圖8.a所示，圖8.b顯示了凝固后縮孔縮松的分布情況。由圖8.a可知，靠近冷鐵的部分最先凝固，最后凝固的是冒口，收縮出現(xiàn)在冒口。但是，在鑄件的無冷鐵的扁平薄壁處，其上部先于中下部凝固，不利于冒口的補(bǔ)縮，導(dǎo)致鑄件下部出現(xiàn)縮孔，只有一個(gè)斜楔鑄件符合生產(chǎn)要求，見圖8.b。

2.2.5 方案Ⅱ的充型過程模擬結(jié)果及分析

采用一型三件不加冷鐵和加冷鐵工藝的鑄件充型過程模擬分別如圖9.a～b和圖10.a～b所示。

由圖9和圖10可知，采用一模三件工藝與采用一模兩件工藝的充型過程基本一樣，金屬液從內(nèi)澆道進(jìn)入鑄型的流動(dòng)速度都比較平穩(wěn)，充型順序填充。

圖8 一型兩件加冷鐵凝固時(shí)間及凝固后的縮孔縮松分布

圖9 一型三件不加冷鐵工藝鑄件充型過程模擬

圖10 一型三件加冷鐵工藝鑄件充型過程模擬

圖11.a、圖11.b分別顯示了采用一型三件不加冷鐵工藝的凝固時(shí)間和凝固后縮孔縮松的分布情況。由圖11.a可知，最先凝固的是斜楔的扁平部分，后凝固的地方是斜楔的凸起部分，而且鑄件薄壁處的中間部分最后凝固。凝固順序并不是由下往上凝固，冒口的補(bǔ)縮率低，在鑄件的凸起中部，存在收縮大于10%的區(qū)域，鑄件凝固完后，這些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)縮孔。一型中可能只有一個(gè)斜楔零件合格（見圖11.b）。

圖11 一模三件無冷鐵的工藝凝固時(shí)間及縮孔縮松的分布

圖12.a、b分別為一型三件加冷鐵工藝的凝固時(shí)間和凝固后縮孔縮松的分布情況模擬結(jié)果。由圖12.a可知，斜楔的凸起最先凝固，冒口最后凝固，但是，冷鐵的激冷作用也導(dǎo)致斜楔的薄壁處上方先凝固，下方后凝固，阻礙了冒口的補(bǔ)縮，所以在圖12.b中，在鑄件底部和冒口處均出現(xiàn)了縮孔，一型鑄件中可能只有兩個(gè)斜楔零件合格。

圖12 一型三件加冷鐵工藝凝固時(shí)間及縮孔縮松的分布

綜上所述，采用上述一型兩件、三件，無冷鐵或有冷鐵工藝制備銅斜楔鑄件，均可生產(chǎn)出至少一件的合格產(chǎn)品。但是，相比采用一模三件工藝而言，采用一模兩件無冷鐵工藝，合格率為100%，且不用冷鐵，造型簡(jiǎn)單，節(jié)約成本，為銅斜楔鑄件的最佳生產(chǎn)工藝。

采用一型兩件無冷鐵工藝試生產(chǎn)銅斜楔鑄件（圖13），質(zhì)量合格，達(dá)到了客戶要求。

圖13 銅斜楔鑄件

3 結(jié)論

采用ProCAST凝固模擬軟件分析優(yōu)化了銅斜楔鑄件的生產(chǎn)工藝，縮短了生產(chǎn)周期，為銅斜楔鑄件的生產(chǎn)實(shí)踐提供了重要的參考指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李日，馬軍賢，崔啟玉.鑄造工藝仿真ProCAST從入門到精通[M].北京：中國水利水電出版社，2010:549-551.

[2] 范曉明，王 志，龍志平，等.基于ProCAST的葉輪鑄件鑄造工藝優(yōu)化[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2014（4）：11-13.

[3] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊(cè).第5卷：鑄造工藝（第3版） [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2011：124-125.

[4] Jeff Meredith.The basic principle of riser design of nonferrous alloy[J].Modern Casting，1999，2：38-41.

[5] 范曉明,王志,龍志平,等.基于ProCAST的葉輪鑄件鑄造工藝優(yōu)化[J].中國鑄造裝備與技術(shù), 2014(4).

Process optimization of the copper slanting wedge casting based on ProCAST

Fan XiaoMing1,Yuan DeYu1,Yang YanFang2, Xiong Ying1,Cheng XiaoQi1
(1.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei,China；2.Heavy Industry Group Co., Ltd.of WISCO, Wuhan 430083,Hubei,China)

Abstract:Based on the analysis of the original sand mold casting process of the copper slanting wedge casting and its structure characteristics, the improved processes were proposed and analyzed by using the ProCAST solidification simulation software.Simulation results and trial production indicate that the casting process of producing copper slanting wedge in the way of one module with two pieces without chill iron is simple, high yield, high quality castings.

Keywords:Copper slanting wedge;ProCAST simulation software;Process design

中圖分類號(hào)：TG244；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1006-9658（2016）03-0048-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.015

收稿日期:2016-01-23

作者簡(jiǎn)介：范曉明（1963—），男，副教授，主要從事鑄造合金與工藝的開發(fā)研究.