姚紅汝

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

隨著全球計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，鑄造業(yè)中也出現(xiàn)了一種方便精確的運(yùn)算軟件，即CAE輔助技術(shù)輔助軟件，此軟件能夠精確模擬運(yùn)算鑄件的充型、凝固和應(yīng)力過(guò)程，幫助工藝員優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，極大地縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本[1]。

對(duì)于鑄鐵材質(zhì)的大型礦機(jī)件，通常先是選擇適合放冒口的大面，一般為頂面或者靠近熱節(jié)的厚大部位，然后分區(qū)計(jì)算出鑄件的模數(shù)，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)冒口大小和冷鐵的擺設(shè)方式，其中冒口的大小采用類(lèi)似鑄鋼件的設(shè)計(jì)思路，即冒口晚于鑄件最后凝固[2]；但是球墨鑄鐵件模數(shù)大于2.5 cm之后，只需要采用液態(tài)補(bǔ)縮冒口或無(wú)冒口也能生產(chǎn)出質(zhì)量很好的鑄件。為此本文通過(guò)CAE輔助軟件對(duì)礦機(jī)產(chǎn)品采用液態(tài)補(bǔ)縮冒口方案進(jìn)行模擬并改進(jìn)[3]。

1 鑄件介紹

礦機(jī)耳軸鑄件如圖1，鑄件輪廓尺寸為4 416 mm×4 416mm×1 852 mm，鑄件重量為52 892 kg，最大壁厚為432 mm，最小壁厚為216 mm，材質(zhì)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QT500-7.其中，無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)為E N12680-3，檢測(cè)要求嚴(yán)格，即此類(lèi)鑄件要求法蘭面、耳軸打孔位置等關(guān)鍵區(qū)域均不能有任何缺陷，且其他部位U T級(jí)別均在2級(jí)以上。此類(lèi)鑄件設(shè)計(jì)通常采用呋喃樹(shù)脂自硬砂造型生產(chǎn)，熔煉采用中頻電爐，主要配料為廢鋼、生鐵和機(jī)鐵。

圖1 鑄件圖

2 鑄件裸模

首先在軟件預(yù)處理環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)鑄件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，CAE軟件采用的是有限差分法進(jìn)行的網(wǎng)格劃分，此鑄件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分過(guò)程。通常，網(wǎng)格劃分太粗，計(jì)算結(jié)果不精確，所以網(wǎng)格劃分到足夠細(xì)，確保計(jì)算結(jié)果的精確性，劃分結(jié)果如圖2所示[4]。

圖2 鑄件網(wǎng)格劃分圖

接著對(duì)鑄件進(jìn)行澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，觀察模擬結(jié)果，初始模擬結(jié)果顯示內(nèi)澆口流速稍高。根據(jù)公司澆注系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化庫(kù)數(shù)據(jù)優(yōu)化后，鑄件裸模流速模擬結(jié)果如圖3所示，內(nèi)澆口平均流速計(jì)算值為0.8m/s，滿足球鐵鑄件充型流速要求，且鑄件充型初期內(nèi)澆道周?chē)鸁o(wú)紊流、無(wú)飛濺、不存在卷氣現(xiàn)象，整個(gè)過(guò)程充型平穩(wěn)，型腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)逐層充滿。圖4為鑄件裸模溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，圖中鑄件深色部位為溫度較低的區(qū)域，淺色為溫度較高區(qū)域，同一等高面溫度場(chǎng)相差不大，整體溫度場(chǎng)分布均勻，故澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合要求。

圖3 鑄件裸模流速模擬圖

圖4 鑄件裸模溫度場(chǎng)模擬圖

應(yīng)用CAE輔助模擬分析，再對(duì)設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行凝固模擬，圖5為鐵液液相凝固過(guò)程模擬，其中鑄件顏色深色部位為還未凝固的區(qū)域，淺色為已經(jīng)凝固的區(qū)域。從圖5可見(jiàn)，鑄件整體凝固順序較好，耳軸中間部位為最后凝固區(qū)域，此區(qū)域溫度較高，也是縮松產(chǎn)生傾向較大的部位。

圖5 鑄件裸模液相凝固過(guò)程模擬圖

圖6 鑄件裸?？s松模擬圖

模擬實(shí)際檢測(cè)中用X射線探傷檢測(cè)鑄件內(nèi)部縮松的檢驗(yàn)方式，當(dāng)R ange=3%時(shí)的縮松缺陷模擬結(jié)果如圖6所示，其中深色代表鑄件存在縮松風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，淺色代表無(wú)縮松風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域?？梢?jiàn)鑄件整體縮松情況較好，但是鑄件頂面出現(xiàn)縮沉，鑄件中間部位嚴(yán)重縮松，需要繼續(xù)改進(jìn)。

3 鑄件工藝設(shè)計(jì)

3.1 大發(fā)熱冒口模擬過(guò)程及結(jié)果

由于此鑄件壁厚較大，雖然此類(lèi)礦機(jī)產(chǎn)品為鑄鐵件，但冒口的選擇方式是類(lèi)似于鑄鋼件冒口順序凝固補(bǔ)縮的方法設(shè)計(jì)，故冒口放置在靠近鑄件熱節(jié)的部位。對(duì)鑄件進(jìn)行分區(qū)計(jì)算模數(shù)，最終選取8個(gè)φ500 mm×500 mm的發(fā)熱冒口，如圖7所示。根據(jù)模擬結(jié)果依次判斷鑄件關(guān)鍵部位凝固順序、縮松、熱節(jié)位置和模數(shù)情況，分別在厚大部位、冒口分區(qū)部位多處擺放冷鐵，繼續(xù)進(jìn)行模擬，此時(shí)鑄件及澆、冒口總質(zhì)量為65 922 kg.

圖7 發(fā)熱冒口工藝方案

圖8為鑄件液相凝固過(guò)程模擬結(jié)果，可見(jiàn)，液相凝固后期，法蘭面和冒口連接部位最后凝固。其中，鑄件顏色深色部位為還未凝固的區(qū)域，淺色為已經(jīng)凝固的區(qū)域；圖9為鑄件縮松模擬結(jié)果，其中深色代表鑄件存在縮松風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，淺色代表無(wú)縮松風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域?？梢?jiàn)鑄件整體縮松較好，最后縮松位置轉(zhuǎn)移到了冒口中，此鑄件縮松模擬合格。

圖8 發(fā)熱冒口鑄件液相凝固過(guò)程模擬結(jié)果

圖9 發(fā)熱冒口鑄件縮松模擬結(jié)果

圖10 為發(fā)熱冒口鑄件熱節(jié)模擬結(jié)果，其中深色代表鑄件熱節(jié)嚴(yán)重的區(qū)域，淺色代表鑄件無(wú)熱節(jié)的區(qū)域，熱節(jié)位置主要在冒口中。圖11為模數(shù)模擬結(jié)果，其中深色代表鑄件模數(shù)大的區(qū)域，淺色代表鑄件模數(shù)小的區(qū)域。圖10中的熱節(jié)位置與圖11中對(duì)應(yīng)的最大模數(shù)位置吻合。

此模擬結(jié)果符合顧客要求，但是為了保證冒口最后凝固，將鑄件的縮松轉(zhuǎn)移到冒口中，冒口體積需要很大，由于冒口過(guò)大，凝固較晚，而厚大球鐵件凝固后期有自我膨脹功能，導(dǎo)致冒口根部鑄件鐵水反補(bǔ)縮到冒口中，冒口最后為實(shí)體，造成了鐵水的嚴(yán)重浪費(fèi)，導(dǎo)致鑄件的工藝出品率較低，同時(shí)造成鑄件生產(chǎn)成本過(guò)高，達(dá)不到節(jié)約成本的效果，需要繼續(xù)模擬改進(jìn)。

3.2 液態(tài)補(bǔ)縮冒口模擬過(guò)程及結(jié)果

在發(fā)熱冒口設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，將耳軸頂部冒口改為φ350 mm×350 mm的液態(tài)補(bǔ)縮冒口，如圖12所示。冒口頸設(shè)計(jì)為高細(xì)尺寸，目的是讓冒口頸在鑄件溫度降到自膨脹溫度時(shí)關(guān)閉，利用厚大球鐵件凝固后期自我膨脹的原理來(lái)抵消鑄件的縮松。此時(shí)，鑄件及澆、冒口總質(zhì)量為60 209 kg.

圖10 發(fā)熱冒口鑄件熱節(jié)模擬結(jié)果

圖11 發(fā)熱冒口模數(shù)模擬結(jié)果

圖12 液態(tài)補(bǔ)縮冒口工藝方案

圖13 為鐵液液相凝固過(guò)程模擬結(jié)果，其中深色代表鑄件還未凝固的區(qū)域，淺色代表已經(jīng)凝固的區(qū)域。由圖13可見(jiàn)，冒口頸先凝固，冒口下方鑄件最后凝固，此區(qū)域溫度較高，也是縮松產(chǎn)生傾向較大的部位。

圖14為鑄件用X射線探傷檢測(cè)鑄件內(nèi)部縮松，當(dāng)R ange=3%時(shí)的模擬縮松缺陷結(jié)果（其中深色代表鑄件縮松區(qū)域，淺色代表無(wú)縮松區(qū)域），可見(jiàn)冒口下方170 mm處鑄件有輕微的縮松，且孔隙率為7%，鑄件安全。

圖13 液態(tài)補(bǔ)縮冒口鑄件液相凝固結(jié)果

圖14 液態(tài)補(bǔ)縮冒口縮松模擬結(jié)果

圖15 為液態(tài)補(bǔ)縮冒口熱節(jié)模擬結(jié)果，其中深色代表鑄件熱節(jié)嚴(yán)重的區(qū)域，淺色代表鑄件無(wú)熱節(jié)的區(qū)域，冒口根部鑄件部位熱節(jié)程度最嚴(yán)重。圖16為液態(tài)補(bǔ)縮冒口模數(shù)模擬結(jié)果，深色代表鑄件模數(shù)大的區(qū)域，淺色代表鑄件模數(shù)小的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的冒口根部鑄件是模數(shù)最大，最后凝固的部位，由于此部位厚大，模數(shù)達(dá)到9.5 cm，根據(jù)鑄造理論知識(shí)，此部位完全可以通過(guò)自膨脹功能實(shí)現(xiàn)抵消局部縮松的目的，此方案模擬合格。

圖15 液態(tài)補(bǔ)縮冒口熱節(jié)模擬結(jié)果

3.3 兩種方案冒口對(duì)比

鑄件采用發(fā)熱冒口方案，出品率為80.5%；采用液態(tài)補(bǔ)縮冒口方案，出品率為88.1%，單個(gè)產(chǎn)品節(jié)約鐵水5 713 kg，節(jié)約成本約1.4萬(wàn)元?？梢?jiàn)，液態(tài)補(bǔ)縮冒口生產(chǎn)的鑄件方案節(jié)約成本相當(dāng)可觀。同時(shí)液態(tài)補(bǔ)縮方案冒口根部鑄件模數(shù)較小、溫度低，可有效改善發(fā)熱冒口根部組織粗大、石墨漂浮等缺陷問(wèn)題。

圖16 液態(tài)補(bǔ)縮冒口模數(shù)模擬結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，對(duì)于熔煉材料的控制，通常使用高純生鐵，以及兩級(jí)孕育處理和球化處理的工藝，目的是使得厚壁大型鑄鐵件無(wú)成分、組織偏析問(wèn)題，以期解決冒口頸下方鑄件組織粗大和石墨漂浮的問(wèn)題，滿足顧客對(duì)厚壁件的性能和組織要求。顧客要求材質(zhì)ω（P）≤0.03%，石墨形態(tài)為Ⅵ型，且要求在能夠代表鑄件壁厚的試塊中心部位取樣檢測(cè)，使用特殊的配料方式和高純生鐵，解決P含量的問(wèn)題，圖17、圖18為用液態(tài)補(bǔ)縮冒口生產(chǎn)的鑄件石墨球數(shù)及鑄件金相組織，符合顧客要求。

圖17 鑄件石墨球數(shù)圖

圖18鑄件金相組織圖

圖19 為鑄件生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。圖20為鑄件現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)U T結(jié)果，生產(chǎn)結(jié)果為U T區(qū)域無(wú)縮松，符合顧客要求，此大型礦機(jī)件用液態(tài)補(bǔ)縮冒口方案生產(chǎn)研發(fā)成功。

圖19 鑄件生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)

圖20 鑄件現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)UT結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

利用CAE技術(shù)輔助軟件對(duì)厚大球鐵件進(jìn)行流場(chǎng)的充型和凝固模擬，不僅可以看到鐵水在型腔中的流動(dòng)和鐵液的凝固過(guò)程，判斷鐵水充型是否平穩(wěn)，有無(wú)紊流飛濺等；還可以直觀地反映出不同冒口方案鑄件的凝固順序，以及縮松、熱節(jié)、模數(shù)等結(jié)果，這有利于工藝設(shè)計(jì)人員不斷地優(yōu)化冷鐵數(shù)量、大小和冒口的位置、大小，不斷地優(yōu)化工藝方案，從而消除鑄造的局部缺陷，可以有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)、試制周期，提高鑄件質(zhì)量，節(jié)約鑄件生產(chǎn)成本，極大地提升鑄造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。