橫梁鑄造工藝設計及模擬分析

謝翔　李大法　張姚

摘 要：本文基于大學生鑄造工藝設計大賽對大型橫梁作品進行工藝設計與數值模擬分析。運用三維建模軟件對產品實體和澆注系統進行建模分析，再運用JSCAST仿真模擬軟件對設計的方案進行模擬計算，分析模擬結果的充填過程、凝固過程、溫度分布及缺陷類型和分布，并在此基礎上對鑄造工藝進行優化。以此保證鑄件重要工作面的加工精度和良品率，提高生產效率，改善鑄件的內在質量和外觀質量，節省原材料和能源，降低成本與減少工藝中的污染。

關鍵詞：橫梁；樹脂砂；數值模擬；鑄造工藝

本次鑄造工藝為橫梁的鑄造工藝，橫梁的材質為ZG20Mn，一般用于大型機床車床。考慮到鑄件的尺寸較大，通常采用手工造型生產，樹脂砂造型，開放式頂注澆注。而鑄鋼的熔點高，過熱度較小，凝固溫度區間較寬，收縮性較大，且鋼水流動性不好，在鑄造過程中易產生應力集中、縮孔、縮松、變形、開裂等缺陷，大大降低鑄件的力學性能。因此為了保證鑄件的重要工作部位的工作要求，提高鑄件質量，需合理添加冒口和冷鐵，實現鑄件的順序凝固，消除鑄件中的缺陷，保證鑄件有較高的工藝良品率。本研究利用JSCAST仿真模擬軟件對該大型橫梁鑄件的工藝進行數值模擬分析，以達到優化效果，降低成本，符合工廠生產中經濟性要求。

1零件結構分析

1.1零件的形狀和特點

鑄件整體結構相對對稱，內部為較復雜的空腔，質量5488Kg，長2700mm，寬1280mm，高585mm。該橫梁屬于大型機床的重要組成零件，其橫梁導軌主要起車刀縱向進給導向以及支撐刀架臺的作用，因此對橫梁工作面的加工精度要求較高。為了保證鑄件的重要工作部位的工作要求，最后把鑄件的工作部位放在鑄件下方，提高鑄件質量。在需要機械加工的部位，鑄件不應有激冷拐角或反白口，以防止鑄件發生裂紋或鉆孔困難。

1.2造型、造芯材料的選擇

采用樹脂自硬砂作為砂型和砂芯，因樹脂砂重量輕、制造周期短、可不加工直接投用，且具有良好的流動性、易緊實、脫模時間可調節、硬化后強度高、在鑄造過程中不易變形，并且樹脂自硬砂剛度高，在澆注和凝固過程基本上無形變位移現象，因此呋喃樹脂自硬砂工藝能使砂芯達到高的尺寸精度，同時樹脂自硬砂不用烘干，縮短了生產周期，型砂易緊實，大幅降低了工人的勞動強度。

由于樹脂砂具上述多方面優點，目前大多數鑄造企業對于單件小批量生產的大型鑄件，一般都采用樹脂砂造型、制芯方式生產鑄件。

2鑄造工藝分析

本鑄件為鑄鋼鑄件，采用樹脂砂手工造型，機械加工等級選G～K級，鑄件尺寸公差按CT14級，鑄件的基本尺寸為2790mm，確定尺寸公差的數值30mm。以標準樣品的實稱重量作為公稱重量，依據所給公稱重量5488kg，確定鑄件重量公差數值為10%。鑄造的線收縮率為1.5%～1.8%，最小壁厚為60mm，符合鑄造要求。

肋的布置應盡量減小熱節點，零件中四個加強肋采用四分布置，連接橫梁中心壁與側壁，有效地避免了縮松和裂紋，所以此處的加強肋符合鑄造要求。

一般情況下，鑄件壁的斷面尺寸不可能完全相同。同時，鑄件壁有類型各異的連接。因此，鑄件各個壁的連接和過渡應該滿足鑄造工藝要求，即鑄件壁的連接、過渡應該是平緩的。分析該鑄件壁的連接過渡，均運用合理的圓角過渡，因此零件滿足鑄造工藝性要求。

3.澆注系統設計

澆注系統是鑄型中液態金屬流入型腔的通道，主要由澆口杯、直澆道、橫澆道和內澆道四個部分組成。澆注系統設計的合理與否對鑄件質量影響很大，大約30%的鑄件廢品是由于澆注系統設計不合理導致的。設計時應根據鑄件的結構特點、合金種類、技術要求合理地設計澆注系統。各澆道橫截面尺寸根據預定斷面比ΣA直：ΣA橫：ΣA內=1：1.13：1.27來計算設計，其中直澆道直徑取60mm。各澆道示意圖如圖2。

4工藝優化及模擬分析

4.1工藝優化

根據已驗證過的方案分析，鑄件肋板導致在金屬液凝固過程中產生了熱節現象，通過對凝固時鑄件溫度場和凝固場的分析，可知這部分溫度最高，凝固最緩慢最終形成了縮孔。因此根據實驗分析在肋板處也就是熱節區放置冷鐵，經計算被激冷鑄件幾何模數M0=4.28cm，設計冷鐵個數為8個，厚度均為42.8mm，分別布置在型腔內壁與外壁靠近肋板處。

4.2模擬結果與分析

4.2.1參數設定

采用SolidWorks三維建模軟件將優化后的方案進行三維實體的繪制，并在SolidWorks中保存為STL格式，導入JSCAST中mesh部分進行網格刨分，為保證網格劃分后鑄件模型的精度，共劃分4214524個網格。設定鑄件的材質為SCH12、砂型的材料為Flattery-F1、冷鐵的材料等參數，砂箱預熱溫度1400℃，澆注溫度1450℃，澆鑄時間為32.7s，設置澆道口，然后進行澆鑄模擬計算。

4.2.2結果分析

從上圖可知，金屬液從澆口杯完全進入型腔總共需要32.7s，這和預先計算的結果大致相同。金屬在重力作用下，由澆口杯通過直澆道、橫澆道和內澆道進入型腔，液面自下而上逐漸升高，最終充滿整個型腔。

由圖4可知，通過凝固過程和溫度場來分析冷鐵發揮補縮的作用：

通過凝固過程，可知肋板四周的冷鐵加速了中間部位的凝固，通過冷鐵實現了使鑄件有個自上而下的順序凝固，保證了探傷部位鑄件金屬的致密性，同時也消除了鑄件的縮松縮孔缺陷；同時，方案的工藝出品率較高，可以降低工廠的生產成本。

缺陷分析，缺陷分布如圖5所示：

由上圖可知，初步結果產生的縮松縮孔全部消失，同樣對其它位置檢查，均未出現縮松縮孔，即本工藝方案結果最終在X射線檢測合格。最后通過安裝冷鐵消除了縮松縮孔，綜合來看，該鑄造方案合理。最終產品檢測按標準操作：超聲波探傷：JB/T 5000.14-1998 ，磁粉探傷按JB/T 5000.14-1998 3級。

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