廖 瓊 王 莉 張亞才

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

軸承座是機(jī)械制造中的典型部件，我公司鑄造分廠生產(chǎn)該類鑄件已有數(shù)十年歷史，近年軸承座訂貨量仍維持較大。為了更好的生產(chǎn)該類鑄件，提高效率，降低成本，對(duì)現(xiàn)有工藝以及預(yù)改進(jìn)工藝進(jìn)行模擬比較，使其方案達(dá)到最佳，以便進(jìn)行最有效率的生產(chǎn)。

1 工藝方案

軸承座結(jié)構(gòu)如圖1所示，材質(zhì)為ZG35CrMo，最大輪廓尺寸約為1 560 mm×95 mm×915 mm，重約4 374 kg。其力學(xué)性能滿足：RP0.2≥510 MPa，Rm為(740～880)MPa，A≥12%，20℃沖擊功AKV≥27 J。鑄造技術(shù)條件按通用技術(shù)條件DIN EN 1559-1，內(nèi)部狀況按SN 200-2，檢驗(yàn)等級(jí)1，質(zhì)量等級(jí)V3，外部狀況按DIN EN 1369/DIN EN 1371-1，質(zhì)量等級(jí)S3。

圖1 軸承座結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Bearing chock diagrammatic drawing

根據(jù)我廠廠標(biāo)《鑄鋼件工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合軸承座的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)[1]：

鑄件孔徑向線收縮率：1.7%；

機(jī)械加工余量：上面和孔面為16 mm，下面和側(cè)面為13 mm；

工藝補(bǔ)正量：+5 mm；

澆注溫度：1 555～1 565℃。

用CAXA軟件對(duì)鑄件進(jìn)行建模，并在相應(yīng)位置添加冒口與冷鐵，分別見兩個(gè)方案的三維模型示意圖，如圖2所示。然后將鑄件、冒口、冷鐵分別保存為*.stl格式文件。

1.1 冒口設(shè)計(jì)

鑄件冒口的設(shè)計(jì)是保證鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵，冒口的參數(shù)應(yīng)以保證鑄件澆注后能使鑄件獲得充分的補(bǔ)縮為前提，冒口內(nèi)鋼水的補(bǔ)縮效率越高越好。對(duì)于此軸承座的鑄造工藝方案主要考慮鑄件冒口設(shè)置的區(qū)別。其冒口設(shè)置方案主要有以下兩種：1)方案一：平澆，在同一側(cè)的大熱節(jié)上放置一個(gè)冒口，共放置2個(gè)冒口，如圖2a)所示；2)方案二：立澆，將整個(gè)鑄件所有熱節(jié)由一個(gè)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，整個(gè)放置1個(gè)大冒口，如圖2b)所示。對(duì)這兩種方案進(jìn)行模擬計(jì)算，比較鑄件內(nèi)部質(zhì)量及收得率，選取最優(yōu)方案。

冒口的設(shè)計(jì)是按照冒口寬度D與該處最大熱節(jié)圓直徑d的關(guān)系來(lái)確定的，其公式為：

(a)方案一 (b)方案二圖2 鑄造方案示意圖Figure 2 Casting technique program diagrammatic drawing

為了保證冒口的延續(xù)度，將冒口長(zhǎng)度增加約一個(gè)半徑的長(zhǎng)度。即總長(zhǎng)度為1.5D。其高度H=(0.7～0.9)D

同時(shí)，為了保證冒口對(duì)鑄件有良好的補(bǔ)縮能力,在冒口周圍撞一層保溫材料，在冒口上表面要覆蓋發(fā)熱劑和保溫劑。

在滿足冒口最終凝固條件的同時(shí)，還應(yīng)保證冒口有足夠的鋼水量對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。用熱節(jié)圓法計(jì)算的冒口尺寸只說明冒口晚于鑄件凝固、冒口下沒有縮孔，不能說明冒口是否足夠補(bǔ)縮整個(gè)鑄件，因此需用鑄件所需補(bǔ)給量法驗(yàn)算冒口尺寸。其判斷依據(jù)為G計(jì)算≥G實(shí)際；已知鑄件的實(shí)際毛重G實(shí)際=5 800 kg，冒口可補(bǔ)縮的鑄件最大重量計(jì)算值G計(jì)算按下式計(jì)算[2]：

式中G冒——冒口的重量；

η——冒口的補(bǔ)縮效率；

s——鋼液的凝固收縮值。

其中G冒a=4 200 kg，G冒b=3 500 kg，η=14%，s=5%，經(jīng)計(jì)算G計(jì)算a=7 560 kg，G計(jì)算b=6 300 kg。因此滿足判據(jù)G計(jì)算≥G實(shí)際，說明冒口足以補(bǔ)縮整個(gè)鑄件。

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)以使鋼液在較短的時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)、快速地流入型腔為原則，同時(shí)還要采取必要措施來(lái)防止氧化和減少收縮。因而整個(gè)澆注系統(tǒng)按照開放的原則來(lái)確定各部分的尺寸和數(shù)量。包孔直徑60 mm，為使鋼水流動(dòng)平穩(wěn)、暢通、快速，需保證一定的比例關(guān)系，確定的各部數(shù)量和尺寸如下：

直澆道?100 mm、橫澆道?100 mm、內(nèi)澆道?40 mm×6。

2 MAGMA模擬分析

MAGMA是一套基于有限差分原理編制的用于模擬鑄造充型凝固過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真軟件，分為前處理、網(wǎng)格劃分、模擬計(jì)算、后處理幾個(gè)模塊。在前處理中，從下拉菜單“File”中選擇“Load SLA”，按照工藝方案導(dǎo)入工藝各組成部分的*.stl格式文件。在圖中建一個(gè)立方體代替砂箱，對(duì)于每個(gè)部分選擇相應(yīng)類別(cast、feeder、chill等)以便以不同顏色區(qū)分各部分。根據(jù)“重迭原則”，最后建的體積有最高的優(yōu)先度可以占據(jù)與它重迭的體積空間。因此，將導(dǎo)入的文件以及砂箱按照砂箱、冒口、冷鐵、鑄件的順序排列。前處理準(zhǔn)備完成，檢查無(wú)誤后保存退出。進(jìn)入網(wǎng)格劃分模塊，根據(jù)鑄件大小以及模擬經(jīng)驗(yàn)，選定劃分網(wǎng)格數(shù)為20 000 000，生成網(wǎng)格。完成網(wǎng)格劃分后按照重力鑄造過程對(duì)鑄件材料、熱傳導(dǎo)系數(shù)、凝固以及執(zhí)行模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后對(duì)凝固過程進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)算結(jié)束后進(jìn)入后處理模塊，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和輸出。

根據(jù)NIYAMA判據(jù)[3]分析該鑄件可能存在的縮孔疏松等缺陷。

方案一：NIYAMA判據(jù)，顯示結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，圖3(c)所示為去除冒口后從澆注方向俯視圖，冒口下以及軸承座孔中心部位鑄件表面質(zhì)量均較好，基本不會(huì)產(chǎn)生缺陷。

方案二：NIYAMA判據(jù)，顯示結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在軸承座孔中心底部產(chǎn)生缺陷的可能性較大，且從圖4(d)對(duì)應(yīng)的截面為孔下部支撐部位，可以看出多處有可能產(chǎn)生缺陷。

圖3 方案一NIYAMA分析結(jié)果Figure 3 NIYAMA analog result for first program

圖4 方案二NIYAMA分析結(jié)果Figure 4 NIYAMA analog result for second program

3 結(jié)論

通過對(duì)軸承座的兩種鑄造方案進(jìn)行模擬，可以看出方案二的工藝方案雖然可以提高冒口的補(bǔ)縮效率，卻使鑄件容易產(chǎn)生缺陷，因此該工藝方案不能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。而方案一的模擬結(jié)果較好，基本不會(huì)產(chǎn)生鑄造缺陷。因此選用方案一的鑄造工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)。采用此工藝生產(chǎn)的鑄件探傷符合圖紙要求。

[1] 黎雅茹，田濤，張亞才.鑄造工藝設(shè)計(jì)規(guī)范.2007(6)：32-40.

[2] 郭明偉，周維海，趙林，等.三峽水輪機(jī)不銹鋼葉片的鑄造[J].大型鑄鍛件，2005(2)：1-3.

[3] 賈寶仟，柳百成.鑄件縮松縮孔判據(jù)G/R1/2的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用[J].鑄造，1996(4)：13-15.