謝翔　李大法　張姚

摘 要：本文基于大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽對大型橫梁作品進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬分析。運(yùn)用三維建模軟件對產(chǎn)品實(shí)體和澆注系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，再運(yùn)用JSCAST仿真模擬軟件對設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行模擬計(jì)算，分析模擬結(jié)果的充填過程、凝固過程、溫度分布及缺陷類型和分布，并在此基礎(chǔ)上對鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化。以此保證鑄件重要工作面的加工精度和良品率，提高生產(chǎn)效率，改善鑄件的內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量，節(jié)省原材料和能源，降低成本與減少工藝中的污染。

關(guān)鍵詞：橫梁；樹脂砂；數(shù)值模擬；鑄造工藝

本次鑄造工藝為橫梁的鑄造工藝，橫梁的材質(zhì)為ZG20Mn，一般用于大型機(jī)床車床?？紤]到鑄件的尺寸較大，通常采用手工造型生產(chǎn)，樹脂砂造型，開放式頂注澆注。而鑄鋼的熔點(diǎn)高，過熱度較小，凝固溫度區(qū)間較寬，收縮性較大，且鋼水流動(dòng)性不好，在鑄造過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中、縮孔、縮松、變形、開裂等缺陷，大大降低鑄件的力學(xué)性能。因此為了保證鑄件的重要工作部位的工作要求，提高鑄件質(zhì)量，需合理添加冒口和冷鐵，實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，消除鑄件中的缺陷，保證鑄件有較高的工藝良品率。本研究利用JSCAST仿真模擬軟件對該大型橫梁鑄件的工藝進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以達(dá)到優(yōu)化效果，降低成本，符合工廠生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)性要求。

1零件結(jié)構(gòu)分析

1.1零件的形狀和特點(diǎn)

鑄件整體結(jié)構(gòu)相對對稱，內(nèi)部為較復(fù)雜的空腔，質(zhì)量5488Kg，長2700mm，寬1280mm，高585mm。該橫梁屬于大型機(jī)床的重要組成零件，其橫梁導(dǎo)軌主要起車刀縱向進(jìn)給導(dǎo)向以及支撐刀架臺(tái)的作用，因此對橫梁工作面的加工精度要求較高。為了保證鑄件的重要工作部位的工作要求，最后把鑄件的工作部位放在鑄件下方，提高鑄件質(zhì)量。在需要機(jī)械加工的部位，鑄件不應(yīng)有激冷拐角或反白口，以防止鑄件發(fā)生裂紋或鉆孔困難。

1.2造型、造芯材料的選擇

采用樹脂自硬砂作為砂型和砂芯，因樹脂砂重量輕、制造周期短、可不加工直接投用，且具有良好的流動(dòng)性、易緊實(shí)、脫模時(shí)間可調(diào)節(jié)、硬化后強(qiáng)度高、在鑄造過程中不易變形，并且樹脂自硬砂剛度高，在澆注和凝固過程基本上無形變位移現(xiàn)象，因此呋喃樹脂自硬砂工藝能使砂芯達(dá)到高的尺寸精度，同時(shí)樹脂自硬砂不用烘干，縮短了生產(chǎn)周期，型砂易緊實(shí)，大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

由于樹脂砂具上述多方面優(yōu)點(diǎn)，目前大多數(shù)鑄造企業(yè)對于單件小批量生產(chǎn)的大型鑄件，一般都采用樹脂砂造型、制芯方式生產(chǎn)鑄件。

2鑄造工藝分析

本鑄件為鑄鋼鑄件，采用樹脂砂手工造型，機(jī)械加工等級選G～K級，鑄件尺寸公差按CT14級，鑄件的基本尺寸為2790mm，確定尺寸公差的數(shù)值30mm。以標(biāo)準(zhǔn)樣品的實(shí)稱重量作為公稱重量，依據(jù)所給公稱重量5488kg，確定鑄件重量公差數(shù)值為10%。鑄造的線收縮率為1.5%～1.8%，最小壁厚為60mm，符合鑄造要求。

肋的布置應(yīng)盡量減小熱節(jié)點(diǎn)，零件中四個(gè)加強(qiáng)肋采用四分布置，連接橫梁中心壁與側(cè)壁，有效地避免了縮松和裂紋，所以此處的加強(qiáng)肋符合鑄造要求。

一般情況下，鑄件壁的斷面尺寸不可能完全相同。同時(shí)，鑄件壁有類型各異的連接。因此，鑄件各個(gè)壁的連接和過渡應(yīng)該滿足鑄造工藝要求，即鑄件壁的連接、過渡應(yīng)該是平緩的。分析該鑄件壁的連接過渡，均運(yùn)用合理的圓角過渡，因此零件滿足鑄造工藝性要求。

3.澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬流入型腔的通道，主要由澆口杯、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道四個(gè)部分組成。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否對鑄件質(zhì)量影響很大，大約30%的鑄件廢品是由于澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、合金種類、技術(shù)要求合理地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)。各澆道橫截面尺寸根據(jù)預(yù)定斷面比ΣA直：ΣA橫：ΣA內(nèi)=1：1.13：1.27來計(jì)算設(shè)計(jì)，其中直澆道直徑取60mm。各澆道示意圖如圖2。

4工藝優(yōu)化及模擬分析

4.1工藝優(yōu)化

根據(jù)已驗(yàn)證過的方案分析，鑄件肋板導(dǎo)致在金屬液凝固過程中產(chǎn)生了熱節(jié)現(xiàn)象，通過對凝固時(shí)鑄件溫度場和凝固場的分析，可知這部分溫度最高，凝固最緩慢最終形成了縮孔。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析在肋板處也就是熱節(jié)區(qū)放置冷鐵，經(jīng)計(jì)算被激冷鑄件幾何模數(shù)M0=4.28cm，設(shè)計(jì)冷鐵個(gè)數(shù)為8個(gè)，厚度均為42.8mm，分別布置在型腔內(nèi)壁與外壁靠近肋板處。

4.2模擬結(jié)果與分析

4.2.1參數(shù)設(shè)定

采用SolidWorks三維建模軟件將優(yōu)化后的方案進(jìn)行三維實(shí)體的繪制，并在SolidWorks中保存為STL格式，導(dǎo)入JSCAST中mesh部分進(jìn)行網(wǎng)格刨分，為保證網(wǎng)格劃分后鑄件模型的精度，共劃分4214524個(gè)網(wǎng)格。設(shè)定鑄件的材質(zhì)為SCH12、砂型的材料為Flattery-F1、冷鐵的材料等參數(shù)，砂箱預(yù)熱溫度1400℃，澆注溫度1450℃，澆鑄時(shí)間為32.7s，設(shè)置澆道口，然后進(jìn)行澆鑄模擬計(jì)算。

4.2.2結(jié)果分析

從上圖可知，金屬液從澆口杯完全進(jìn)入型腔總共需要32.7s，這和預(yù)先計(jì)算的結(jié)果大致相同。金屬在重力作用下，由澆口杯通過直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道進(jìn)入型腔，液面自下而上逐漸升高，最終充滿整個(gè)型腔。

由圖4可知，通過凝固過程和溫度場來分析冷鐵發(fā)揮補(bǔ)縮的作用：

通過凝固過程，可知肋板四周的冷鐵加速了中間部位的凝固，通過冷鐵實(shí)現(xiàn)了使鑄件有個(gè)自上而下的順序凝固，保證了探傷部位鑄件金屬的致密性，同時(shí)也消除了鑄件的縮松縮孔缺陷；同時(shí)，方案的工藝出品率較高，可以降低工廠的生產(chǎn)成本。

缺陷分析，缺陷分布如圖5所示：

由上圖可知，初步結(jié)果產(chǎn)生的縮松縮孔全部消失，同樣對其它位置檢查，均未出現(xiàn)縮松縮孔，即本工藝方案結(jié)果最終在X射線檢測合格。最后通過安裝冷鐵消除了縮松縮孔，綜合來看，該鑄造方案合理。最終產(chǎn)品檢測按標(biāo)準(zhǔn)操作：超聲波探傷：JB/T 5000.14-1998 ，磁粉探傷按JB/T 5000.14-1998 3級。

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