劉秀君,葉華君
數(shù)值模擬在盤體工藝優(yōu)化中的應用
The Application of Numerical Simulation in the Process Optimization of Discs
劉秀君1,葉華君2
采用Solidworks三維造型軟件對輥式磨盤體進行造型,添加澆冒系統(tǒng)、激冷系統(tǒng),用Solidcast軟件進行凝固過程的數(shù)值模擬,通過溫度場的凝固模擬,預測了形成縮孔、縮松缺陷的不同傾向,并對比了不同工藝方案下鑄件的縮孔、縮松分布,對鑄造工藝進行了改進和優(yōu)化,將改進后的鑄造工藝應用于生產(chǎn),既解決了鑄件的鑄造缺陷問題,又加快了工藝開發(fā)周期。
盤體;數(shù)值模擬;工藝優(yōu)化
盤體是輥式磨的重要部件,在使用過程中承受著巨大的支承力、壓力和扭矩。盤體鑄造質量的好壞對于整臺輥式磨具有至關重要的作用。
采用數(shù)值模擬軟件對鑄件的凝固過程進行模擬,不僅可以通過計算機直接觀察凝固過程,還可以幫助工程技術人員在鑄造工藝設計階段,有效預測鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時間,從而優(yōu)化鑄造工藝設計,確保鑄件質量。
本設計通過采用Solidworks三維造型軟件對盤體進行鑄件和澆注系統(tǒng)的造型,再用Solidcast軟件對鑄造工藝方案進行鑄造凝固過程的數(shù)值模擬,對比了不同工藝方案下鑄件可能產(chǎn)生的縮孔、縮松分布,最終將優(yōu)化后的工藝方案用于生產(chǎn)實際,取得了較好的經(jīng)濟效益。
2.1 盤體概述
該型號盤體材質ZG270-500,最大外徑3 520mm,最大高度1 820mm,單件重量37t,最大熱節(jié)355mm,如圖1所示。其技術要求:盤體上下表面,超聲波探傷標準滿足JB/T5000.14-2007中的Ⅲ級要求;不允許有影響強度的鑄造缺陷存在等。
圖1 鑄件三維圖
2.2 鑄件設計
該鑄件為鑄鋼件,鑄造收縮率為2%,上平面加工余量23mm,下平面和側面加工余量18mm,鑄件截面最大處分型,手工樹脂砂組芯造型,一箱一型,鑄造工藝示意見圖2。
圖2 鑄件工藝示意圖
2.3 澆注系統(tǒng)設計
根據(jù)鑄造手冊,結合現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗,確定采用開放式階梯澆注系統(tǒng),直澆道尺寸為2-φ100mm,橫澆道尺寸為φ120mm,下層內澆道尺寸為8-φ 70mm,上層內澆道尺寸為12-φ60mm,如圖3所示。
2.4 冒口設計
該鑄鋼件的凝固方式為順序凝固,在熱節(jié)處容易出現(xiàn)縮孔、縮松的缺陷。按模數(shù)法設計出磨盤大平面冒口尺寸,冒口尺寸為φ800mm×1 200mm發(fā)熱冒口,共4個,中間腰帶和小平面熱節(jié)位置擺滿外冷鐵,鑄件工藝出品率為66.5%(見圖4)。
圖3 鑄件澆注系統(tǒng)示意圖
圖4 原始鑄造工藝方案
2.5 熔化工藝設計
此盤體材質為ZG270-500,其化學成分見表1。
表1 ZG270-500化學成分(質量分數(shù)),%
采用60t電弧爐+100t精煉爐煉制鋼液64 000kg,出爐溫度控制在1 570~1 590℃,澆注溫度控制在1 550~1 570℃,漏包注水口為2-φ80mm,澆注時間根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗定為每箱270s。
3.1 產(chǎn)品實體建模
先用Solidworks軟件在零件模式下完成鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口實體、冷鐵建模并保存,另輸出為*.STL格式的文件。
3.2 網(wǎng)格的剖分與模擬
圖5 初始方案的縮孔模擬結果
圖6 初始方案的縮松模擬結果
圖7 磨盤鑄造工藝優(yōu)化前后補稱對比示意圖
圖8 磨盤鑄造工藝優(yōu)化前后冒口對比示意圖
Solidcast采用有限差分法計算傳熱,同時結合特有的熱容積法跟蹤金屬體積變化,預測鑄件在澆注、凝固、冷卻過程中可能出現(xiàn)的缺陷。分為FLOWCAST、SOLIDCAST集成模塊和OPTICAST模塊。在FLOWCAST、SOLIDCAST集成模塊中,按照不同的工藝方案導入所需的組成部分的STL格式文件。原始方案中,網(wǎng)格總數(shù)為8 000 000個。改進后方案的網(wǎng)格總數(shù)仍為8 000 000個。完成有限元網(wǎng)格剖分后進入計算處理模塊,按照工藝參數(shù)對鑄件重力鑄造過程計算參數(shù)進行設置,本文僅對純溫度場進行計算,設置完成后,開始運行計算。運算結束后再進入模擬結果查看,輸出數(shù)值模擬結果。
3.3 原工藝方案的凝固過程數(shù)值模擬結果
圖5、圖6為原工藝方案的凝固過程數(shù)值模擬結果。從圖中可以看出,鑄件上平面冒口中間部位出現(xiàn)縮松,下平面出現(xiàn)縮孔、縮松。在Solidcast軟件中,Material Density一般認為是縮孔判據(jù),判據(jù)取值0.99,結果見圖5中紅色陰影部分(下同);Niyama Criterion一般認為是縮松判據(jù),判據(jù)取值0.4,結果見圖6中紅色陰影部分(下同)。
圖9 磨盤鑄造工藝優(yōu)化前后筋板對比示意圖
3.4 改進后工藝方案
盤體上平面冒口之間的問題主要是縮松,將4個單獨冒口下補稱修改為整圈補稱(見圖7),并將冒口內移(見圖8);盤體下平面的問題主要是壁厚過大,補縮通道不暢通,增加4根150mm厚補縮筋(見圖9),增強補縮。對優(yōu)化后工藝方案凝固過程數(shù)值模擬結果進行分析,其澆冒系統(tǒng)造型如圖10所示。
從圖11分析可以看出,改進后的方案實現(xiàn)了順序凝固的目的,鑄件上平面和下平面內部沒有縮孔和縮松,縮孔和縮松轉移至鑄件非重要區(qū)域,鑄件的工藝出品率基本不變。
圖10 優(yōu)化后鑄造工藝方案
圖11 優(yōu)化后方案的定量縮孔模擬結果
生產(chǎn)試制中,外模和砂芯均采用堿性酚醛樹脂砂,手工組芯造型,刷涂醇基鋯英粉涂料,合箱后熱風機烘干;按照熔煉工藝煉制合格鋼液65 000kg,用精煉鋼包澆注;澆注成功的鑄件落砂后,經(jīng)正火+回火熱處理后粗加工,經(jīng)超聲波探傷檢查,盤體上下平面未發(fā)現(xiàn)縮孔或縮松等鑄造缺陷,材質符合圖紙要求,超聲波探傷滿足JB/T5000.14-2007中的Ⅲ級要求。鑄件加工后的零件見圖12。
圖12 盤體照片
應用Solidcast模擬凝固軟件對盤體鑄造過程進行模擬,實現(xiàn)了工藝方案的優(yōu)化,減少了生產(chǎn)試制周期,節(jié)約了成本。采用經(jīng)數(shù)值模擬優(yōu)化后的鑄造工藝方案,可生產(chǎn)出合格的盤體鑄件。
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2016-05-19;編輯:趙星環(huán)