鑄造CAE技術(shù)在超大變截面小型球鐵件工藝中的應(yīng)用

姚紅汝，張龍江

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

介紹了應(yīng)用MAGMA模擬軟件在超大變截面小型球鐵鑄件工藝設(shè)計(jì)中的改進(jìn)實(shí)例。該軟件能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出鑄件縮松等多種鑄造缺陷，從而找出解決此類問題的方法，有利于鑄造工藝的優(yōu)化和鑄件質(zhì)量的提高。

CAE；Magma；數(shù)值模擬；鑄造

隨著鑄造技術(shù)模擬軟件的普及深入，傳統(tǒng)的鑄造業(yè)正在從憑借經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)轉(zhuǎn)為在理論指導(dǎo)下的科學(xué)生產(chǎn)。近些年，CAE計(jì)算機(jī)鑄造工藝模擬軟件在各鑄造公司的應(yīng)用越來越普遍，應(yīng)用這些軟件可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各種鑄造缺陷，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、消除熱裂冷裂、轉(zhuǎn)移關(guān)鍵區(qū)域縮松等缺陷。我公司引進(jìn)了MAGMA軟件，進(jìn)行鑄造過程輔助模擬分析，通過充型、凝固過程的模擬，并結(jié)合以往類似件生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，成功設(shè)計(jì)出符合客戶要求的工藝方案。并將其應(yīng)用到鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)中，減輕了設(shè)計(jì)強(qiáng)度，提高了工作效率，縮短了試制周期，降低了生產(chǎn)成本，從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力[1，2]。

1行星架的鑄件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

如圖1所示為行星架鑄件示意圖，輪廓尺寸為348 mm×348 mm×200 mm，重量為60 kg，最大壁厚74 mm，最小壁厚34 mm，最大截面面積147 290 mm2，最小截面面積為3 036 mm2，材質(zhì)為國標(biāo)600-3.無損檢測(cè)根據(jù)標(biāo)注EN12680-3，要求頂面法蘭面、底面法蘭面、所有臺(tái)子不得有任何缺陷，其他部位均為UT二級(jí)。根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)，此鑄件使用重力鑄造方式，型砂為呋喃樹脂自硬砂，金屬材料主要配料是生鐵、廢鋼和機(jī)鐵，用中頻電爐熔煉。

圖1行星架鑄件示意圖

2原工藝方案模擬及生產(chǎn)結(jié)果

2.1裸模模擬

首先僅設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，不設(shè)置冒口和冷鐵，進(jìn)行初步模擬。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)，行星架柱子根部靠近上下法蘭面均有不同程度的縮松，如圖2、圖3深色部位顯示。

圖2裸模縮松缺陷模擬結(jié)果

圖3裸模液相凝固過程

此鑄件的工藝難度在于頂法蘭面的截面積超大，而柱子的截面積較小，從液相凝固過程可以看到（圖3），凝固過程中的補(bǔ)縮通道被打斷，無論是從放冒口還是冷鐵的思路都沒法連通此補(bǔ)縮通道，只有近一步增加冷鐵和冒口以期減小或者轉(zhuǎn)移縮松缺陷。

2.2無冷鐵模擬

在鑄件頂面法蘭面分別放4個(gè)50 mm×10 mm出氣片模擬，不放冷鐵，因出氣片在凝固過程的前期就已經(jīng)凝固，起不到補(bǔ)縮作用，縮松缺陷得不到改善，如圖4中深色部位。繼續(xù)在頂法蘭面將出氣片改為四個(gè)φ8/12 K保溫發(fā)熱冒口進(jìn)行模擬，如圖5中深色部位所示，頂法蘭面的縮松缺陷干凈，但是柱子根部靠近底法蘭面縮松缺陷嚴(yán)重，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

圖6底面增加冷鐵工藝結(jié)構(gòu)示意圖

圖7加冷鐵后縮松模擬結(jié)果示意圖

圖8現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)鑄件UT結(jié)果

圖4加出氣片模擬結(jié)果

圖5加冒口模擬結(jié)果

2.3增加冷鐵模擬

為改善底法蘭面的縮松缺陷，在之前加了發(fā)熱冒口方案的基礎(chǔ)上底面增加冷鐵進(jìn)行模擬，先是在正對(duì)柱子根部增加四塊冷鐵（圖6所示），模擬結(jié)果顯示（圖7），底面縮松缺陷趕到了底法蘭面的臺(tái)子中間，根據(jù)加工圖，此處需要打φ40 mm的孔，縮松缺陷尺寸也在40 mm之內(nèi)，模擬合格，可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

2.4現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，將模擬合格的工藝下發(fā)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，圖8為生產(chǎn)鑄件UT結(jié)果顯示，鑄件底法蘭面貫通二層臺(tái)位置有縮松缺陷，具體分析是因?yàn)榈酌胬滂F加的太少，實(shí)際鑄件在凝固過程中，因?yàn)殍T件之間的熱影響、砂芯傳熱不均勻等各種因素造成的鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定，需要近一步優(yōu)化工藝方案。

3工藝方案改進(jìn)及生產(chǎn)結(jié)果

3.1工藝改進(jìn)

考慮到原使用4個(gè)φ8/12 K冒口工藝出品率低，且底面使用4塊冷鐵現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)結(jié)果不穩(wěn)定的因素，現(xiàn)考慮將4個(gè)φ8/12 K的冒口改為2個(gè)φ8/12 K的冒口，中間采用冷鐵分區(qū)，同時(shí)在底法蘭面和二層臺(tái)上增加冷鐵，且底法蘭面的冷鐵厚度較大，形成冷鐵梯度，如圖9所示。

如圖10，模擬縮松結(jié)果顯示，凝固順序良好，冒口補(bǔ)縮效果明顯，放冒口的兩個(gè)柱子頂面主要靠冒口補(bǔ)縮，放冷鐵的兩個(gè)柱子主要靠自補(bǔ)縮，底法蘭

圖9改進(jìn)后的冷鐵及冒口設(shè)置

面、二層臺(tái)及柱子底面冷鐵激冷效果明顯，最后凝固的部位為柱子中間區(qū)域，也是產(chǎn)生縮松缺陷的部位，但此部位的縮松在顧客工藝規(guī)范允許的范圍內(nèi)，無加工風(fēng)險(xiǎn)。將此改進(jìn)后的冷鐵冒口布置工藝重新下發(fā)，再次生產(chǎn)此鑄件。

圖10改進(jìn)后的縮松模擬結(jié)果

工藝改進(jìn)后減掉了兩個(gè)φ8/12 K的冒口，提高了工藝出品率，工藝出品率由改進(jìn)前的79%提高到88%.

3.2改進(jìn)后方案現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)結(jié)果

按照改進(jìn)后的工藝進(jìn)行試生產(chǎn)，生產(chǎn)結(jié)果為UT區(qū)域無縮松，鑄件表面干凈無夾渣夾砂等缺陷，鑄件質(zhì)量符合顧客要求（見圖11），工藝改進(jìn)成功。

4結(jié)束語

置只能設(shè)計(jì)在標(biāo)識(shí)部位。由于此處在澆注過程中整個(gè)處于鐵液的包圍之中，周圍沒有任何支撐，當(dāng)鐵液上升至砂芯此處時(shí)，在鐵液的浮力作用下，砂芯會(huì)在標(biāo)識(shí)部位發(fā)生斷裂造成漂芯現(xiàn)象。

針對(duì)上述現(xiàn)象，制定了以下兩條措施：

1）設(shè)計(jì)芯骨連接結(jié)構(gòu)，解決由于分體芯骨導(dǎo)致在砂芯拐角處砂芯斷裂的問題；

2）研箱時(shí)，在19#砂芯與上下層砂芯之間使用芯撐來充分保證砂芯之間的壁厚，同時(shí)要求上下層砂芯之間的芯撐位置也是一一對(duì)應(yīng)。

改進(jìn)后，漂芯問題得到徹底解決。

3結(jié)論

在L21前端箱體試制過程中，因?yàn)樵撹T件的制芯、造型、研箱工序?yàn)槭止げ僮?，所以一些常?guī)缺陷如砂眼等很難避免，但是對(duì)于由于鑄件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)方面存在的問題造成的缺陷可以通過專題攻關(guān)來進(jìn)行解決。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，只有不斷改進(jìn)并優(yōu)化鑄造工藝，才能提升產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)帶來效益。

圖11鑄件現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)照片

通過使用CAE輔助技術(shù)對(duì)新產(chǎn)品的工藝方案進(jìn)行指導(dǎo)改進(jìn)，縮短了工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)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)商和顧客雙贏的結(jié)果。

［1］丁超，李文偉，李晶，等.大型軸承底座鑄造工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2014（04）：70-75.

［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］//2005全國計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)與應(yīng)用高級(jí)研討會(huì)論文集.北京：2005.

［3］李玉葉，馬林，馬輊福.鑄造CAE技術(shù)在軸承蓋類產(chǎn)品改進(jìn)中的應(yīng)用［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2005（4）：25-26.

Application of CAE Technology in the Casting Process of Light Nodular Iron Casting with Oversized Variable Cross-section

YAO Hong-ru，ZHANG Long-jiang
（Kocel Machinery Limited Company，Yinchuan Ningxia 750021，China）

CAE technology，numerical simulation，casting defect，casting process

TG24

A

1674-6694（2017）02-0018-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.02.006

2017-03-13

姚紅汝（1990-），女，甘肅省白銀市人，現(xiàn)主要從事鑄造過程虛擬模擬工作。

Abtract：The use of CAE simulation software in the process design improvement of light nodular iron casting with oversized variable cross-section was introduced in the paper.The CAE technology can predict the defects，which is helpful to find the solution，optimize the casting technology and improve the quality of the products.