李玉葉，馬 林，馬輊福

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隨著機(jī)械等相關(guān)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鑄件需求量的急劇增加，對鑄造技術(shù)的要求亦越來越高。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使CAE技術(shù)在鑄造過程中得以應(yīng)用和推廣[1，2]，制造技術(shù)也向著輕型化、科技化、機(jī)械化方向發(fā)展。

鑄造CAE技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，以傳統(tǒng)鑄造理論和鑄件凝固過程中的溫度場變化等為基礎(chǔ)，運(yùn)用流體力學(xué)、熱力學(xué)和有限元等數(shù)值分析理論[3]，對鑄造過程的充型、凝固、冷卻、應(yīng)力分布等進(jìn)行整體的仿真分析，使鑄造過程變得形象化、可視化，方便工藝技術(shù)的改進(jìn)和提升，對鑄造工藝中新方法、新工藝的提出和應(yīng)用，有著不可或缺的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，鑄造過程模擬已經(jīng)成為了鑄造生產(chǎn)的一個必要環(huán)節(jié)，得到了極大的推廣，是鑄造企業(yè)能力的象征，應(yīng)用極為廣泛，為鑄造業(yè)帶來了不可估量的效益[4]，是促進(jìn)鑄件生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的有效手段，是各國學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[5]。

本文利用MAGAMsoft對鑄造過程進(jìn)行仿真模擬，對主軸承蓋的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

1 鑄件介紹及原工藝方案分析

主軸承蓋鑄件如圖1所示，鑄件輪廓尺寸為380mm×81mm×240mm，鑄件重量為25.4kg，最大壁厚78mm，最小壁厚30mm，材質(zhì)為國標(biāo)QT500-7.無損檢測根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12680-3，要求側(cè)M30螺紋孔、半圓表面及、支架接觸的6個面及其它加工面均不能有任何缺陷，其他部位UT2級以上。該件初始設(shè)計(jì)采用呋喃樹脂自硬砂進(jìn)行生產(chǎn)，材料采用中頻電爐熔煉，主要配料為生鐵、廢鋼和機(jī)鐵。

圖1 鑄件圖

首先僅設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，不放冒口和冷鐵，進(jìn)行初步模擬（圖2）.模擬分析發(fā)現(xiàn)，在鑄件需加工部位存在嚴(yán)重縮松，有加工風(fēng)險(xiǎn)，軸承蓋四個小臍子上均有不同程度縮松缺陷如圖2深色位置，需要進(jìn)一步添加冷鐵和冒口以期減小或消除縮松缺陷。

圖2 初始模擬結(jié)果

接下來在鑄件熱節(jié)附近放直徑80mm的冒口，不放冷鐵，繼續(xù)進(jìn)行模擬，因鑄件模數(shù)影響，小冒口并不能達(dá)到預(yù)期效果，冒口和鑄件中的縮松缺陷仍相當(dāng)嚴(yán)重，如圖3深色位置，直至冒口直徑增加到120mm（圖4），鑄件中縮松完全消除（圖5），并實(shí)現(xiàn)了無冷鐵工藝方案。

圖3 直徑80 mm 冒口模擬結(jié)果

圖4 改進(jìn)前最終模擬方案

圖5 改進(jìn)前模擬結(jié)果

按圖4作為初期設(shè)計(jì)的最終方案進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)和驗(yàn)證，NDT檢測鑄件無縮松缺陷，與模擬結(jié)果吻合，鑄件機(jī)械性能與金相組織均符合顧客規(guī)范要求。但鑄件出品率低，經(jīng)濟(jì)效益很小，不適合批量生產(chǎn)，此方案需進(jìn)一步改進(jìn)。

2 工藝方案改進(jìn)及結(jié)果

考慮到原使用120mm冒口的工藝方案（圖4）經(jīng)濟(jì)、工藝效益低，所以對此工藝進(jìn)行重新改進(jìn)設(shè)計(jì)，使用熱冒口補(bǔ)縮，并在鑄件厚大部位放置冷鐵，虛擬減薄，軸承孔鑄出，使用鉻礦砂芯。工藝如圖6所示，工藝改進(jìn)后使用冷鐵和熱冒口，進(jìn)行重新模擬，凝固順序合理，冒口補(bǔ)縮效果良好，模擬結(jié)果顯示，鑄件中無縮松缺陷，符合顧客工藝規(guī)范要求，無加工風(fēng)險(xiǎn)。工藝改進(jìn)后減掉了8個直徑120mm的發(fā)熱冒口，現(xiàn)場操作更加簡便，且降低了生產(chǎn)成本，大幅度提高了工藝出品率，由改進(jìn)前的59.8%上升到改進(jìn)后的82.5%，經(jīng)濟(jì)效益顯著增加。

圖6 改進(jìn)后工藝方案

按照改進(jìn)后無發(fā)熱冒口的工藝方案，生產(chǎn)該件砂型、砂芯如圖7所示，并完成后續(xù)工序。經(jīng)過NDT驗(yàn)證，鑄件中無縮松缺陷，與模擬結(jié)果吻合，材料金相檢驗(yàn)結(jié)果（圖8）和機(jī)械性能亦符合顧客質(zhì)量規(guī)范要求。批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定。

圖7 鑄件生產(chǎn)情況

圖8 材料金相結(jié)果

3 結(jié)束語

通過使用鑄造CAE輔助技術(shù)對原有鑄造工藝進(jìn)行模擬改進(jìn)，縮短了工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)研發(fā)成本，極大地提高了鑄造經(jīng)濟(jì)效益，鑄件經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證合格，滿足顧客要求，實(shí)現(xiàn)了供應(yīng)商和顧客雙贏的目標(biāo)。

[1]周建新，劉瑞祥，陳立亮，等.鑄造CAE技術(shù)在鑄鋼件中的應(yīng)用[J］.熱加工工藝，2004（11）：67-68.

[2］馬敏團(tuán)，郝偉.CAE分析技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用[G］//首屆中國CAE工程分析技術(shù)年會暨2005全國計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)與應(yīng)用高級研討會論文集.北京：中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械工業(yè)自動化分會，2005：30-34.

[3]柳百成.鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬國內(nèi)外研究進(jìn)展[J］.鑄造，1999（8）:40-45.

[4]宋賢發(fā).利用鑄造CAE技術(shù)優(yōu)化鑄造工藝[J］.現(xiàn)代鑄鐵，2001（1）：42-43.

[5]張?jiān)迄i，楊秉儉，蘇俊義，等.鑄件凝固過程數(shù)值模擬的新進(jìn)展[J］.鑄造技術(shù)，1998（1）：34-36.