鑄鋼殼體砂型鑄造工藝數值模擬及優化

胡騰騰，賈麗敏，于延龍，李春海，趙海波，宋東君，譚建波

(1.河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術重點實驗室，河北石家莊 050018；3.石家莊工業泵廠有限公司，河北石家莊 050100；4.唐山曹妃甸冀東裝備機械熱加工有限公司，河北唐山 063200)

鑄鋼件廣泛應用于礦山機械、運輸、機車牽引、起重機械和風電領域[1-5]。因砂型鑄造適用性廣、生產成本低，所以在很多鑄鋼件的生產中仍被使用[6-8]。鄭寶堂[9]對鐵路貨車17型車鉤鉤體鑄鋼件工藝方案模擬得較好，其鑄造工藝參數：澆注溫度為1 580 ℃，充型30 s時，澆注速度為75 cm/s。韓寶等[10]對輪軸鑄鋼件鑄造工藝進行了優化設計并進行了數值模擬，其研究結果：澆注溫度為1 570 ℃，澆注速度為10 kg/s。劉晨等[11]采用計算機模擬的方法優化了橫梁鑄鋼件砂型鑄造工藝，在澆注溫度為1 550 ℃時，工藝出品率為72%。砂型鑄造殼體鑄鋼件加工余量大，生產過程中容易產生氣孔、夾雜、澆不足及縮孔、縮松等缺陷，導致鑄件合格率較低，筆者通過ProCAST軟件模擬鑄造工藝參數對鑄鋼殼體鑄件孔隙體積大小的影響，為鑄鋼殼體砂型鑄造工藝設計提供理論指導，從而減少試驗工作量，降低鑄件試制周期和費用，減少鑄件缺陷，提高鑄件質量和經濟效益。

1 鑄造工藝設計

1.1 化學成分

殼體鑄件采用ZG270-500，該合金具有一定的塑性及韌性，強度和硬度較高，微觀組織為奧氏體和鐵素體，具有良好的機械加工性能，同時還可承受較大載荷，其化學構成見表1。

表1 ZG270-500合金殼體的化學構成Tab.1 Chemical composition of ZG270-500 alloy shaft housing 單位：%

1.2 結構模型

圖1 殼體鑄件圖Fig.1 Shell casting drawing

1.3 澆注系統設計

依據分型面的選擇原則，初步設計了2種鑄造工藝方案，第1種工藝方案將內澆道設計在鑄件底座處，如圖2所示；第2種工藝方案將內澆道放置在鑄件圓筒狀部位，如圖3所示。此2種工藝造型簡單，便于操作。由于鑄件為鑄鋼件，澆注系統采用開放式澆注系統，該澆注系統的優點為充型平穩，避免紊流，可以減少金屬液氧化。

圖2 第1種工藝方案Fig.2 The first process scheme

圖3 第2種工藝方案Fig.3 The second process scheme

采用底注塞桿鋼水包澆注，孔徑為40 mm，查閱鑄造工藝手冊，可知澆孔平均流量速度為27 kg/s。澆注時間按式(1)計算：

(1)

式中：t為澆注時間；GL為型內鋼液質量，GL=450 kg；N為同時澆注的澆包數，N=1；n為1個澆包內的澆孔數，n=1；q為平均澆注速度。

根據式(1)可以計算出，t=16.7 s。

澆注時間是否合適，可用鋼液在型內的上升速度驗算，見式(2)：

(2)

式中：v為鋼液在鑄型內的上升速度；C為鑄件在型腔內的高度，C=356 mm；t為澆注時間，t=16.7 s。

根據式(2)計算得出鋼液在型內的上升速度為21.3 mm/s。

選擇的澆注系統各組元截面積比如式(3)所示：

烏有先生團團臉，酒糟鼻，胖胖的，就像廟里的彌勒佛，蓄起頭發胡子，換下僧袍轉行做起道士，艱難的棋局令人費神，弄得他臉上層層油汗。子虛先生清癯、瘦削，好像一只打坐的鶴似的，烏有出子慢吞吞的，他卻很快，閃電似的，手指將棋子掣出來，穩穩地彈到棋盤上，棋子就放在他們身邊一個荒廢的鳥巢里。聽到有少年提到媼婦譜，子虛轉過臉，淡淡地說：“你會下棋？”

∑A阻∶∑A直∶∑A橫∶∑A內=
1∶(1.8～2.0)∶(1.8～2.0)∶(2.0～2.5)，

(3)

包孔直徑Φ=40 mm，根據式(3)計算得∑A阻=1 256 mm2；∑A內=2 763 mm2；∑A直=2 386 mm2，Φ直=55 mm。

2 澆注過程數值模擬

2.1 模擬前處理

將澆注系統繪制完成之后，使用ProCAST軟件對殼體進行網格劃分，選取合適的網格步長，從而保證在數值模擬分析流程獲得精確的總時間及模擬仿真結果[12-17]。在 Visual-Mesh 工作頁面下導入鑄件，鑄件網格步長設置為30 mm，劃分的面網格總數為12 722個，體網格總數為45 906個。利用Mesh的 Checks 流程從 1D，2D再到 3D依次檢查網格劃分出現的裂紋、交叉、破損、體重疊、結合面的配合等問題，在網格劃分階段對這些缺陷進行全面修復，完成最終體網格的建立。在前處理階段，設置鑄件材料為Medium-Carbon AISI 1040(ZG270-500)，樹脂砂造型、制芯，型砂、砂芯材料為硅砂。其砂型溫度為25 ℃，冷卻方式為COINC，金屬和砂型的換熱系數為1 000 W/(m2·K)。依次設置重力加速度、邊界條件、冷卻方式等參數。

2.2 金屬液充型和凝固過程的模擬和分析

設置澆注溫度為1 560 ℃，澆注速度為1.6 m/s。設定完成后，使用模擬軟件對2種方案進行仿真數值模擬，模擬結果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，在殼體筒狀部位的上方出現了澆不足缺陷，因此，在澆不足的部位設計了2個明冒口，并進行了模擬，方案1的溫度場如圖6所示，孔隙分布圖如圖7所示。方案2的溫度場如圖8所示，孔隙分布圖如圖9所示。方案1的孔隙體積為 28.23 cm3，方案 2的孔隙體積為 50.58 cm3，由于缺陷太多，導致殼體鑄件無法使用。

圖4 方案1的充型結果Fig.4 Filling results and defects of scheme 1

圖5 方案2的充型結果Fig.5 Filling results and defects of scheme 2

圖6 方案1的溫度場Fig.6 Temperature field of scheme 1

圖7 方案1孔隙分布圖Fig.7 Pore distribution of scheme 1

圖8 方案2的溫度場Fig.8 Temperature field of scheme 2

圖9 方案2孔隙分布圖Fig.9 Pore distribution of scheme 2

3 優化工藝方案及模擬結果分析

3.1 工藝優化

由于方案1和方案2在殼體筒狀部位的上方出現了澆不足缺陷，通過分析圖7和圖9，方案1和方案2孔隙類缺陷也比較多，而且，在實際生產中底座處也出現縮松，為此設計了第3種方案(見圖10)，內澆口位置進行了調整，設計了4個明冒口，其中2個明冒口直徑為110 mm，高為350 mm。另2個明冒口為臺階狀，下部直徑為200 mm，高為32.5 mm，上部直徑為135 mm，高為330 mm。

圖10 第3種工藝方案Fig.10 The third process scheme

第3種工藝方案的充型過程，如圖11所示。當金屬液進入鑄型型腔時，金屬液向內澆口下部、內澆口右側同時充填，然后自下而上填充，充型過程由下而上，有利于型腔中氣體的排出，減少鑄件中氣孔的形成。從充型過程溫度分布來看，鑄件在整個充型過程中，基本上鑄件底座部分溫度低，圓筒狀部位溫度高，當初始澆注溫度為1 560 ℃，充型剛結束時的最低溫度約1 100 ℃。從充型過程的溫度場可以看出，金屬液在內澆道處的溫度稍微高一些。 在澆注初期，金屬液的溫度下降比較快，而隨著澆注的不斷進行，金屬液的溫度下降速率降低，基本處于穩定階段。即金屬液在澆注初期， 熱量散失相對而言比較嚴重， 而隨著澆注時間的增加，熱量散失相對而言比較小。

圖11 方案3的充型過程Fig.11 Filling process of scheme 3

金屬液的凝固過程如圖12所示。 整體上看，鑄件完全凝固需要的時間相對較長， 凝固速度比充型要慢得多。鑄件在整個凝固過程中的溫度分布，基本上由底座向圓筒狀部位溫度逐漸升高，底座部位溫度較低，先凝固，圓筒狀部位溫度較高，即鑄件薄壁處先凝固，壁厚較大處后凝固，在后凝固的部位設置了冒口，加強了補縮，凝固結束后，鑄件無缺陷出現，證明此工藝合理。

圖12 方案3的凝固過程Fig.12 Freezing process of scheme 3

3.2 工藝參數優化

3.2.1 正交試驗設計

在砂型鑄造中，澆注溫度和澆注速度是鑄造工藝中的2個重要參數，為了得到較合理的澆注溫度和澆注速度，在第3種工藝方案的基礎上進行了正交試驗，設計的虛擬正交試驗因素水平表見表2。

表2 試驗因素水平表Tab.2 Factor level table of orthogonal experiment

3.2.2 極差分析

該試驗的極差分析結果見表3。

表3 極差分析結果Tab.3 Range analysis results

從表3中可以看出各因素對缺陷孔隙體積的極差，澆注溫度對應的極差為2.290，大于澆注速度對應的極差0.844，說明澆注溫度對孔隙體積影響較大；隨著澆注溫度的增加，孔隙體積先減小后增大，而隨著澆注速度的增加，孔隙體積先減小后增大。根據極差分析可以得到，2個因素對殼體鑄件質量的影響程度排序是：澆注溫度>澆注速度。最優的組合參數為澆注溫度 1 560 ℃，澆注速度1.6 m/s。孔隙分布圖如圖13所示，可知殼體鑄件孔隙缺陷體積為1.416 cm3，比第1種和第2種方案的孔隙缺陷體積都少。

圖13 方案3優化后的孔隙分布圖Fig.13 Optimized pore distribution of scheme 3

經工藝改進后，鑄件合格率由原來的81%提高到96%，工藝出品率為66%。

4 結 語

依據殼體鑄件的工藝特點，設計了3種澆注工藝方案，利用計算機模擬軟件研究了澆注溫度、澆注速度對砂型鑄造殼體充型、凝固過程及鑄件孔隙體積的影響；研究結果可為殼體類鑄鋼件砂型鑄造工藝的設計提供參考依據，縮短試制周期，降低生產成本，提高經濟效益。所得結論如下：

1)第1種和第2種工藝方案，在鑄件上方均出現了澆不足鑄造缺陷，第3種工藝方案，縮孔、縮松缺陷體積明顯減少，方案較好；

2)第3種工藝方案中，影響孔隙缺陷體積的主次因素順序為澆注溫度>澆注速度，澆注溫度對試驗結果有顯著性影響。在澆注溫度為1 560 ℃、澆注速度為1.6 m/s時，殼體鑄件孔隙缺陷體積最少，為1.416 cm3，鑄件合格率為96%。

不足之處在于模擬軟件對砂型鑄造型腔內涂料層的參數設置與實際生產有一定差別，未來可以在模擬中加入對涂料層材料及厚度的設置，從而使模擬結果更加貼合實際。另外，本研究是針對澆注位置、鑄造工藝參數對殼體鑄鋼件砂型鑄造充型及凝固過程的影響進行了模擬和分析，未來將對凝固過程產生的內應力問題進行研究。