東風(fēng)商用車有限公司工藝所 (湖北武漢 430056) 劉旭葵 王澤忠 李 濤

1.工藝方案設(shè)計(jì)

主軸承蓋 (見(jiàn)圖1)材料為球墨鑄鐵，該產(chǎn)品受動(dòng)態(tài)應(yīng)力影響較大，其內(nèi)在質(zhì)量要求嚴(yán)格，不允許有縮松缺陷。工藝設(shè)計(jì)初期，擬定了3套工藝方案，其設(shè)計(jì)思路如下:

(1)方案一 (見(jiàn)圖2) 采用一個(gè)熱冒口，在主軸承蓋的一端進(jìn)行補(bǔ)縮，另一端則期望利用球鐵的自補(bǔ)縮能力消除縮松缺陷。

圖1

圖2

(2)方案二 (見(jiàn)圖3) 采用兩個(gè)熱冒口，分別補(bǔ)縮主軸承蓋兩端的厚大部位，中間厚大部位自補(bǔ)縮。

(3)方案三 (見(jiàn)圖4) 采用三個(gè)冒口，中間的厚大部位采用冷冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，并且將軸承蓋的重要工作面朝下布置，以期得到更好的質(zhì)量。

2.CAE分析

利用MAGMASOFT鑄造工藝分析軟件，在計(jì)算機(jī)上模擬鑄件澆注成型過(guò)程，對(duì)3套工藝方案進(jìn)行充型過(guò)程對(duì)比、補(bǔ)縮判據(jù)對(duì)比 (冒口模數(shù))等分析。CAE分析顯示:

圖3

圖4

(1)第一套方案 具有材料消耗少、工藝出品率高的優(yōu)點(diǎn)。但因補(bǔ)縮距離遠(yuǎn)，球鐵自補(bǔ)縮效果不好，縮孔縮松缺陷較嚴(yán)重。

(2)第二套方案 采用兩個(gè)熱冒口，補(bǔ)縮距離短，比草案1補(bǔ)縮效果好。不足之處是材料消耗較多，工藝出品略低。

(3)第三套方案 在中間厚大部位處采用冷冒口補(bǔ)縮，補(bǔ)縮距離短，補(bǔ)縮較好。零件重要工作表面被布置在最下方，凝固順序佳，產(chǎn)品質(zhì)量較好。但該方案因?yàn)樵O(shè)置了3個(gè)冒口 (一冷兩熱)，材料消耗多，工藝出品低，并且仍存在縮孔縮松缺陷。

3.澆注系統(tǒng)工藝改善

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬分析結(jié)果，選擇以第三套工藝方案基礎(chǔ)進(jìn)行工藝改善，新方案如圖5所示。

圖5 工藝布置

(1)冒口改變 去掉方案3兩側(cè)冒口，增大中間冒口。據(jù)CAE分析結(jié)果顯示，縮松部位集中在鑄件模數(shù)最大位置處 (中間厚大部位)。新方案將冒口布置在易縮松部位附近，并采用熱冒口。在補(bǔ)縮通道上設(shè)置儲(chǔ)有足夠多鐵水的冒口，從熱冒口進(jìn)料，可以更好提高補(bǔ)縮效率。

(2)增加砂芯 在主軸承蓋兩個(gè)螺栓孔部位增加砂芯，直接將螺栓孔鑄出，均勻鑄件壁厚，避免產(chǎn)生鑄造缺陷，并能減少鑄件加工余量，提高工藝出品率。

4.工藝方案驗(yàn)證

對(duì)修改后的新工藝方案再次進(jìn)行CAE分析。

(1)凝固過(guò)程液相分布 觀察圖6凝固過(guò)程液相分布顯示，鑄件本體基本實(shí)現(xiàn)了順序凝固，冒口為最后凝固部位，具有收集渣水的作用。

(2)模數(shù)分布 通過(guò)圖7模數(shù)分布示意圖右側(cè)的顏色標(biāo)尺可以看出，鑄件模數(shù)分布發(fā)生改變。冒口最大模數(shù)值2.06cm，鑄件最大模數(shù)值1.6cm，冒口模數(shù)與鑄件模數(shù)比值大于1.2，有較好的補(bǔ)縮效果。在冒口的影響下，鑄件已經(jīng)沒(méi)有熱節(jié)存在。

(3)縮松缺陷 利用MAGMA軟件的縮松缺陷判據(jù)進(jìn)行觀察，鑄件本體不存在縮松缺陷。

圖6 凝固過(guò)程液相分布

圖7 模數(shù)分布示意

5.CAE模擬分析工藝與傳統(tǒng)鑄造工藝對(duì)比

鑄件工藝設(shè)計(jì)需要綜合考慮鑄造質(zhì)量、生產(chǎn)成本及交貨期等關(guān)鍵因素，在最短時(shí)間內(nèi)拿出最優(yōu)的方案。

與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，計(jì)算機(jī)CAE分析流程實(shí)現(xiàn)了“工藝方案設(shè)計(jì)→校核→方案優(yōu)化→再校核→取得較理想工藝方案”的全過(guò)程可視化調(diào)整，使鑄造工藝方案制定由“經(jīng)驗(yàn)”型走向“科學(xué)”型。

(1)傳統(tǒng)工藝流程 (見(jiàn)表1) 設(shè)計(jì)者憑借理論知識(shí)和以往工作經(jīng)驗(yàn)擬定鑄造工藝方案后，先要試制出鑄件樣品，再通過(guò)鑄件樣品材料性能試驗(yàn)及評(píng)價(jià)，才能判斷鑄造工藝方案的合理性。若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后需要更改工藝方案，重新修改鑄件澆注系統(tǒng)，然后再經(jīng)過(guò)制樣、工藝試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，循環(huán)反復(fù)多輪試制、試驗(yàn)后才能得到最終合理工藝;遇到鑄造工藝方案變動(dòng)較大的情況，則會(huì)導(dǎo)致高成本及過(guò)長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期。

(2)CAE模擬分析流程 (見(jiàn)表2) 擬定鑄造工藝草案后，首先在計(jì)算機(jī)上借助鑄造分析軟件進(jìn)行鑄件充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬分析;根據(jù)分析顯示結(jié)果，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的鑄造缺陷及其部位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝不足之處;在計(jì)算機(jī)上修改工藝方案，并重新模擬驗(yàn)證其合理性。通過(guò)幾輪工藝優(yōu)化、模擬分析及驗(yàn)證，最終確定工藝方案后再投入生產(chǎn)。鑄件質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低、周期短。

表1 傳統(tǒng)鑄造工藝作業(yè)流程

表2 計(jì)算機(jī)CAE模擬分析流程

6.結(jié)語(yǔ)

主軸承蓋模擬分析結(jié)果表明，運(yùn)用MAGMA軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行鑄件充型凝固過(guò)程的數(shù)值模擬分析，查看縮孔、縮松等缺陷的生成及分布情況，便于預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的鑄造缺陷。在主軸承蓋熱節(jié)部分設(shè)置冒口并調(diào)整其大小，實(shí)現(xiàn)順序凝固，有效改善了熱節(jié)狀態(tài)，消除了鑄造缺陷，使鑄件質(zhì)量得到有效保證，實(shí)現(xiàn)了以科技指導(dǎo)生產(chǎn)的良好效果。主軸承蓋產(chǎn)品經(jīng)過(guò)100%X-Ray檢測(cè)，無(wú)任何縮松缺陷，滿足用戶要求。