艾秀蘭，曹曉賢

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

在各類新能源開發(fā)中，風(fēng)電已成為全球的戰(zhàn)略能源.優(yōu)沃的風(fēng)能資源能彌補(bǔ)能源供應(yīng)的巨大缺口[1-5]，因此風(fēng)電行業(yè)具有很好的未來(lái)發(fā)展前景和巨大空間.我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式是先消化吸收國(guó)外的風(fēng)電機(jī)組發(fā)展方式，隨后再自主研發(fā).現(xiàn)今，基于鑄造技術(shù)生產(chǎn)，適合于我國(guó)的風(fēng)電鑄件已形成批量生產(chǎn)的模式.風(fēng)力發(fā)電需要通過(guò)大型機(jī)械將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，輪轂是風(fēng)電機(jī)組中最為重要的大型鑄件[6-7]，其質(zhì)量對(duì)整個(gè)機(jī)組的服役周期至關(guān)重要.又由于輪轂鑄造材質(zhì)為球墨鑄鐵QT400-18L，尺寸較大、結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，所以合理的澆注系統(tǒng)和鑄造工藝參數(shù)對(duì)于有效避免鑄造缺陷，保證鑄件質(zhì)量?jī)?yōu)良至關(guān)重要.本文應(yīng)用Flow-3D數(shù)值仿真軟件優(yōu)化輪轂鑄件澆注系統(tǒng)方案及澆注速度，并利用優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)試制.

1 風(fēng)電輪轂零件參數(shù)

輪轂輪廓為球狀殼體，漿葉孔拐角處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，輪廓尺寸為4 000 mm×3 800 mm×3700mm，主要壁厚約為50～170 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 輪轂零件三維模型

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮輪轂鑄件的鐵液澆注量及QT400-18L的鑄造特性，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵照平穩(wěn)、大流量和快速充型的原則，盡量縮短充型時(shí)間.風(fēng)電輪轂鑄件屬厚大斷面球墨鑄鐵件，充型過(guò)程中澆注量大，鐵液在充型過(guò)程中極易氧化，如果充型過(guò)程中鐵液流動(dòng)不平穩(wěn)或斷流，則將導(dǎo)致紊流，從而可能形成夾渣、氣孔、冷隔等鑄造缺陷.依據(jù)輪轂鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)技術(shù)要求，基于“鑄件重要加工面或主要受力面等要求較高的部位放置在下面”的鑄造工藝設(shè)計(jì)原則，確定澆注位置為鎮(zhèn)流孔所在法蘭面朝下(見圖2)，采用半封閉式澆注系統(tǒng).直澆道采用上大下小的圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)，此種結(jié)

構(gòu)保證鐵液較快充型并能夠在直澆道中呈正壓狀態(tài)流動(dòng)，防止鐵液液流沖砂和帶入氣體.為避免金屬液在充型過(guò)程中產(chǎn)生飛濺，降低金屬液的紊流，設(shè)計(jì)各部分的截面積之比為F直∶F橫∶F內(nèi)=1.2∶4∶1.7.橫澆道設(shè)置在分型面處，垂直于直澆道且呈水平方向的梯形變截面，設(shè)計(jì)橫澆道末端延長(zhǎng)段，且橫澆道中部最大截面處放置過(guò)濾網(wǎng)[8].為保證內(nèi)澆道距離直澆道足夠遠(yuǎn)，使鐵液中的渣粒有條件浮起而脫離內(nèi)澆道吸動(dòng)區(qū)，則設(shè)計(jì)三個(gè)內(nèi)澆道位于橫澆道正下方，類似于底返雨淋式澆注系統(tǒng).考慮到鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為使液流平穩(wěn)充型并保證在型腔中液面能均勻升高和鑄件較厚實(shí)部分有足夠的金屬液供給量，則將三個(gè)內(nèi)澆道設(shè)置在正對(duì)大凸臺(tái)弧面的位置，具體位置如圖2所示.這種位置設(shè)計(jì)可以消除鐵液由型腔一區(qū)轉(zhuǎn)流到另一區(qū).

圖2 澆注系統(tǒng)形狀及位置

3 Flow-3D充型模擬仿真

3.1 前處理

使用Flow-3D鑄造模擬仿真軟件對(duì)鑄件充型過(guò)程進(jìn)行計(jì)算并分析可能產(chǎn)生的鑄造缺陷.由于該鑄件屬厚大斷面球鐵件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且漿葉孔法蘭面壁厚不均勻，澆注系統(tǒng)斷面變化大、彎道多，為了提高模擬仿真的準(zhǔn)確性，將網(wǎng)格均勻細(xì)剖分并利用FAVORize檢查網(wǎng)格解析度，尤其關(guān)注內(nèi)澆道檢視是否有破損，反復(fù)調(diào)整到幾何完全被解析出.

3.2 初始及邊界條件設(shè)置

澆注工藝參數(shù)：澆注溫度為1 360℃，澆注速度為1.0 m/s；鑄件材質(zhì)物性參數(shù)：液相線溫度為1 210℃，固相線溫度為1 143℃，密度為6 562.5 kg/m3；鑄造方式：砂型鑄造；砂型材質(zhì)：呋喃樹脂砂，鑄型初始溫度設(shè)定為常溫25℃；充型時(shí)間：約280 s.邊界條件設(shè)定為固壁邊界，采用k-ε雙方程紊流模型進(jìn)行模擬仿真計(jì)算.

3.3 模擬仿真結(jié)果分析

圖3為充型過(guò)程的速度場(chǎng).觀察模擬結(jié)果并分析發(fā)現(xiàn)：充型前期金屬液從三個(gè)內(nèi)澆道幾乎同時(shí)進(jìn)流，流量也基本相當(dāng)，沒有出現(xiàn)明顯的金屬液飛濺現(xiàn)象；在圖3(d)中充型約104 s時(shí)，直澆道出現(xiàn)明顯的分流現(xiàn)象，型腔內(nèi)出現(xiàn)許多充型速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.5 m/s的區(qū)域；圖3(e)中橫澆道完全充滿狀態(tài)所需時(shí)間約為130 s，整個(gè)充型過(guò)程時(shí)間約為258 s.由圖4整個(gè)充型過(guò)程中壓力變化結(jié)果可知：前端鐵液壓力范圍約0.098 79～0.1317MPa，充型即將結(jié)束時(shí)鐵液前端壓力范圍為0.131 7～0.142 8 MPa.通過(guò)鐵液壓力與呋喃樹脂砂鑄型強(qiáng)度比較可知，鐵液的壓力對(duì)型腔造成的沖擊很小，因此出現(xiàn)鑄型被侵蝕的幾率較低.

(a) 充型時(shí)間19 s (b) 充型時(shí)間50 s (c) 充型時(shí)間80 s

(d)充型時(shí)間104 s (e)充型時(shí)間129 s (f)充型時(shí)間180 s圖3 充型過(guò)程速度場(chǎng)

(a) 充型時(shí)間58 s (b) 充型時(shí)間110 s

(c) 充型時(shí)間175 s (d) 充型時(shí)間258 s圖4 充型過(guò)程壓力場(chǎng)

內(nèi)澆口的充填速度直接影響充型的平穩(wěn)性，為了考查內(nèi)澆口處的鐵液流動(dòng)速度，采取了在內(nèi)澆口設(shè)置虛擬速度傳感器的方法.圖5為測(cè)得的時(shí)間-速度曲線，由該曲線發(fā)現(xiàn)：在充型初期三個(gè)內(nèi)澆口的速度均在0.8 m/s左右，鐵液流動(dòng)速度比較均衡.充填時(shí)間到達(dá)50 ～110 s之間時(shí)，三個(gè)內(nèi)澆口的速度曲線均出現(xiàn)較大波動(dòng)，速度值出現(xiàn)差異，其中velocity1(1號(hào)內(nèi)澆口速度)的波動(dòng)幅度較大，最大值達(dá)到約1.5 m/s，充型110 s后，三個(gè)內(nèi)澆口速度趨于平穩(wěn)，速度在0.5 m/s左右，充滿約為258 s.在整個(gè)充填過(guò)程中，前中段內(nèi)澆口速度出現(xiàn)較大波動(dòng)是因?yàn)闄M澆道全部充滿需130 s，在50～110 s之間橫澆道尚處于未充滿狀態(tài)，其內(nèi)部鐵液流動(dòng)呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致內(nèi)澆口入水速度出現(xiàn)較大波動(dòng).

圖5 內(nèi)澆道速度

澆注速度是影響流場(chǎng)的重要因素.充型的平穩(wěn)性及充型時(shí)間直接決定著鑄件的基體組織.因此為保證充型平穩(wěn)性，縮短橫澆道全充滿時(shí)間，于是在澆注系統(tǒng)及其位置分布不變的基礎(chǔ)上，將澆注速度由1.0 m/s提高到1.3 m/s.圖6是將澆注速度提高到1.3 m/s后的流動(dòng)模擬仿真計(jì)算結(jié)果，從圖中可看出：充型前期，鐵液因重力加速度的影響，直澆道出現(xiàn)了分流現(xiàn)象，但隨后分流現(xiàn)象逐漸減弱，橫澆道處于半充滿時(shí)間相對(duì)較短，充型前期內(nèi)澆口處鐵液未出現(xiàn)明顯的飛濺現(xiàn)象.在圖6(c)中橫澆道在約80 s時(shí)處于全充滿狀態(tài)，整個(gè)充型時(shí)間約為220 s.

(a) 充型時(shí)間17 s (b) 充型時(shí)間50 s (c) 充型時(shí)間80 s

(d)充型時(shí)間99 s (e)充型時(shí)間150 s (f)充型時(shí)間199 s圖6 充型過(guò)程速度場(chǎng)

由圖7內(nèi)澆口的時(shí)間-速度曲線也可看到：充型前期內(nèi)澆口速度有小幅波動(dòng)，充型時(shí)間約在80 s左右時(shí)，內(nèi)澆口處充型速度開始趨于穩(wěn)定，且三個(gè)內(nèi)澆口處液流速度基本一致，均為0.5 m/s左右.

由以上模擬結(jié)果分析可知：如圖2設(shè)有三個(gè)內(nèi)澆道的澆注系統(tǒng)，澆注速度為1.3 m/s是適合該輪轂的鑄造工藝方案.

4 結(jié)論

應(yīng)用優(yōu)化后的鑄造工藝方案進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn),鑄件全身經(jīng)過(guò)UT探傷和MT探傷，驗(yàn)證為無(wú)渣、無(wú)縮孔的致密合格鑄件.說(shuō)明優(yōu)化后的鑄造工藝方案合適可行.生產(chǎn)實(shí)踐證明，利用Flow-3D 軟件可以預(yù)測(cè)鑄件產(chǎn)生缺陷的原因，并有針對(duì)性地優(yōu)化鑄造工藝方案，利用模擬優(yōu)化后的工藝方案可以生產(chǎn)出滿足要求的鑄件.