鑄造CAE技術在大型球鐵件中壓外缸產品工藝設計中的應用

張龍江，姚紅汝

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

隨著計算機技術的發展，鑄造過程計算機數值模擬技術日趨成熟，為鑄造行業提供了一種新的工具和解決問題的途徑。應用NX輔助技術設計中的MAGMA軟件版塊，模擬鑄件的充型、凝固和應力場過程。根據模擬結果對鑄件的缺陷部位進行預測，幫助工藝員優化鑄造工藝，改進工藝方案，從而達到縮短試制周期、提高鑄件質量及降低成本的目的[1-3]。

1 鑄件介紹

中壓外缸鑄件如圖1所示，鑄件輪廓尺寸為5690mm×2750mm×2215mm，鑄件重量為34822 kg，最大壁厚350mm，最小壁厚60 mm，材質為國標QT400-18AR。無損檢測根據標準EN12680-3，要求法蘭面打孔位置、缸口打孔位置、臍子、軸承座加工槽子部位等加工面均不能有任何缺陷，其它部位UT 2級以上。該件初始設計采用呋喃樹脂自硬砂進行生產，材料采用中頻電爐熔煉，主要配料為生鐵、廢鋼和機鐵。

圖1 鑄件圖

2 CAE輔助模擬分析

2.1 鑄件裸模

首先在進行模擬預算之前要對鑄件整個系統進行網格劃分，CAE軟件采用的是有限差分法進行的網格劃分且自動完成網格劃分過程。網格劃分越細，計算結果越精確。雖然細化網格劃分有助于計算結果的精確性，但會導致計算時間過長，所以對鑄件進行劃分要掌握網格劃分的效果和數量兩個要點，劃分結果如圖2所示。

應用CAE輔助模擬分析，對設計的鑄造工藝進行凝固過程的模擬，圖3為鐵液液相凝固過程（其中，鑄件顏色深色部位為還未凝固的區域，淺色為已經凝固的區域），從圖3可見，鑄件整體凝固順序較好，缸口部位、臍子、法蘭面、軸承座等厚大部位為最后凝固區域，此區域溫度較高，也是產生縮松傾向較大的部位[4，5]。

圖2 鑄件網格劃分圖

圖3 鑄件液相凝固過程圖

鑄件縮松結果如圖4所示，圖4是用X射線探傷檢測鑄件內部縮松，當Range=6%時的縮松缺陷模擬結果（其中深色代表鑄件存在縮松風險的區域，淺色代表無縮松風險的區域），可見整體縮松情況較好，但是鑄件缸口部位、臍子、法蘭面、軸承座等關鍵部位縮松嚴重，需要繼續改進。

圖4 鑄件裸?？s松圖

2.2 工藝方案初步改進及結果

由于此鑄件壁厚較大，考慮到鑄件可以自膨脹來替補需要的鐵水，在頂部缸口增加一圈油瓶冒口（圖5），根據裸模模擬，依次判斷鑄件充型平穩度、溫度場分布、關鍵斷位模數、熱節位置、凝固順序和縮松情況。分別在厚大部位擺放冷鐵，繼續進行模擬。

圖5 直徑100mm油瓶冒口工藝方案

其中澆注系統直澆道、橫澆道、內澆道的截面面積分別為226cm2、936mm2、923cm2。直澆道采用?120mm的陶瓷管，內澆道采用?70 mm的陶瓷管和鑄件搭接。

如圖6、7所示，模擬結果顯示，鑄件充型平穩，內澆口處流速低，型腔內實現逐層充滿（其中，鑄件顏色深色部位為鐵水已充滿的區域，淺色為鐵水還未充滿的區域），充型完成后溫度場分布合理（其中，鑄件顏色深色部位為溫度較低的區域，淺色為溫度較高區域），判定按照公司規范設計的澆注系統合格。

圖6 鑄件充型流速過程

圖7 鑄件充型溫度場過程

模擬凝固過程中，液相凝固后期，油瓶冒口先凝固，缸口、厚大軸承座、法蘭面最后凝固，鐵水無法補縮到缸口，油瓶冒口根部出現縮松（圖8、圖9）。

圖8 鑄件液相凝固過程圖

圖9 鑄件縮松圖

此模擬結果不符合顧客要求，主要是因為油瓶冒口模數較小，補縮量不足，先于缸口凝固，無法補縮到鑄件，導致冒口根部有縮松，達不到預期效果，需要繼續模擬改進。

2.3 缸口換發熱冒口工藝方案改進及結果

此方案在以上方案的基礎上，將中壓外缸頂部冒口改為?400mm×600mm的發熱冒口（圖10），冒口頸尺寸為?60mm×35mm，鑄件及澆、冒口總質量為41688kg，并分別在冒口分區的地方增加冷鐵，保證加工部位無縮松缺陷。

圖10 直徑400mm發熱冒口工藝方案

應用CAE輔助模擬分析，對設計的鑄造工藝進行充型和凝固的模擬，圖11為鐵液液相凝固過程（其中深色代表鑄件還未凝固的區域，淺色代表已經凝固的區域），從圖11可見，冒口下方、法蘭面、軸承座為最后凝固區域，此區域溫度較高，也是縮松產生傾向較大的部位。同樣的，圖12是用X射線探傷檢測鑄件內部縮松，當Range=6%時的縮松缺陷模擬結果（其中深色代表鑄件縮松區域，淺色代表無縮松區域）。

圖11 鑄件加發熱冒口熱節圖

圖12 鑄件加發熱冒口縮松圖

由圖13、圖14可見，鑄件缸口上的冒口、法蘭面、軸承座的鐵水最后凝固，整體縮松結果較好，但是法蘭面吊把周圍縮松風險較大，且法蘭面正反兩面冷鐵太多，現場生產造成很大的不便，此方案需進一步改進。

2.4 加冒口、減冷鐵工藝方案改進及結果

此工藝在以上方案的基礎上，在法蘭面四個爪子上增加四個?350×350mm的發熱保溫冒口，并且減少法蘭面正反面的冷鐵，鑄件及澆、冒口總質量為42756kg，如圖15所示。

圖13 鑄件加發熱冒口液相凝固圖

圖14 鑄件加發熱冒口模數圖

圖15 最終改進后工藝方案

圖16 鑄件加發熱冒口液相凝固圖

應用CAE輔助模擬分析，對設計的鑄造工藝進行充型和凝固的模擬，圖16為鐵液液相凝固過程（其中深色代表鑄件還未凝固的區域，淺色代表已經凝固的區域），從圖可見，冒口下方為最后凝固區域，冒口補縮區域分區明顯。

鑄件縮松結果如圖17（其中深色代表鑄件縮松區域，淺色代表無縮松區域），是用X射線探傷檢測鑄件內部縮松，當Range=3%時的縮松缺陷模擬結果，由圖可見，關鍵區域無縮松，UT區域沒有縮松，缸口、厚大軸承座、法蘭面加工處均無縮松，縮松級別滿足顧客要求。

圖17 鑄件加發熱冒口縮松圖

3 生產結果

圖18 鑄件現場生產UT結果

按照改進后的工藝進行試生產，生產結果為UT區域無縮松，符合顧客要求（見圖18），此中壓外缸鑄件研發成功。

4 結束語

利用CAE技術輔助軟件對鑄件進行流場的充型及凝固模擬，可以清晰看到鐵水在型腔中的沖型流動過程及鐵液液相凝固過程，判斷鐵水充型是否平穩，有無紊流飛濺等。也可以直觀的反映出鑄件的凝固順序，以及縮松、熱節、模數等，有利于工藝設計人員優化工藝，改變冷鐵大小、形狀和冒口的位置、大小，從而消除這一部分的缺陷。可以有效地縮短產品研發、試制周期，提高鑄件質量，極大地提升鑄造企業競爭力，最終指導現場生產。