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

1 前言

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 盤體概述與工藝設計

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 鑄件的凝固過程數(shù)值模擬

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

4 生產(chǎn)驗證

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

5 結語

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。

[1]袁書倉，張淑霞.數(shù)值模擬在鑄鋼殼體優(yōu)化中的應用[J].鑄造設備與工藝，2010，（6）.

[2]余四紅，賈相武.基于Procast的殼體鑄件數(shù)值模擬鑄造工藝優(yōu)化[J].鑄造技術，2010，（10）.

[3]鑄造手冊（第五版）：鑄造工藝[K].北京：機械工業(yè)出版社，2007，（7）.■

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2016-05-19；編輯：趙星環(huán)