貝偉明

（常德煙草機械有限責任公司，湖南 常德 415000）

公司某零部件輥為長筒形零件，材料為ZL107，采用砂型重力澆注制造鑄件毛坯后加工而成。其鑄件結構如圖1(a)所示，最大直徑為210mm，高度為1080mm，最大壁厚為50mm，最小壁厚為20mm。加工過程中發(fā)現筒壁處常出現縮松缺陷如圖1(b)所示，嚴重產生報廢。本文通過蕓峰CAE軟件對此鑄件凝固過程模擬仿真，預測了缺陷可能出現的位置并分析了原因，最后將澆注系統改為帶集渣筒的縫隙式澆注系統并設置冷鐵和陶瓷過濾器，在實際生產中取得了很好的效果。

圖1 輥鑄件結構圖及縮松缺陷

1 原始工藝數值模擬

輥的原鑄造工藝如圖2所示，采用三層圓環(huán)形橫澆道，每層配5個扁內澆口，頂部放置三個腰型冒口。通過Creo軟件制作三維模型并導出STL文件，輸入蕓峰CAE軟件中設置相關參數后進行模擬仿真。圖3(a)為充型后型腔中液體溫度分布，可看出下部溫度高，頂部溫度低，形成自下而上的溫度梯度，這是底注式澆注系統的特點[1，2]；此外從圓環(huán)形橫澆道可看出其靠近直澆道一側溫度較高，遠離直澆道一側溫度相對較低，型腔內部在同一水平面上的溫度分布也具有此特征；圖3(b)顯示凝固先從輥靠上部位開始，此時冒口已出現部分凝固，而輥頂部厚壁（50mm）處仍未凝固，說明冒口尺寸偏??；圖3(c)顯示輥靠上部位大部分凝固完成，靠近冒口根部剩下小部分液相，而輥靠下部位仍處于液相，頂部冒口與輥靠下部位補縮通道斷開；圖3(d)顯示輥頂部完全凝固，底部小部分呈液相；圖3(e)顯示整體凝固完成，輥在靠近直澆道的一側由于凝固較晚，又沒有得到補縮，最后形成縮松，系統顯示鑄件孔松總體積為，孔11.15cc，松214.81cc。輥形成縮松的位置特征為靠近同一側，在中間略上及下部出現可能性最大，頂部附近由于有冒口補縮，出現概率較小。模擬結果與實際生產相符。

圖2 輥原始鑄造工藝

圖3 原工藝仿真結果

2 改進工藝及數值模擬

針對輥的結構特點及原始工藝仿真結果，采取以下改進措施：①采用縫隙式澆注系統，相關參數取值[1，2]為，縫隙厚度a=0.5δ（鑄件壁厚）=10mm，集渣筒直徑D=6a～8a，取值75mm，直澆道直徑d取值25mm；②加大冒口尺寸；③在遠離縫隙澆道一側設置冷鐵，其參數[3]為頂部厚壁（50mm）處冷鐵厚度為30mm,其余厚度為15mm；④直澆道底座處設置陶瓷過濾器，減少渣進入型腔并起到整流作用[4]。

在蕓峰CAE軟件中使用相同的參數對新的鑄造方案進行仿真分析，圖5(a)為充型終了時整體溫度分布，可看出靠近縫隙澆口底部溫度最高，有冷鐵處溫度較低；圖5(b)可看出輥有冷鐵一側已經凝固；圖5(c)顯示鑄件進一步凝固，部分頂帽口也開始凝固，剩下的液相區(qū)為靠近縫隙澆口部分；圖5(d)顯示鑄件靠近縫隙澆口處剩余少量液相，而縫隙澆口及集渣筒大部分處于液相，可見其仍能對鑄件未凝固部分具有補縮作用；圖5(e)顯示鑄件及澆注系統均完成凝固，系統顯示鑄件孔松總體積為0，孔（顯示為黑色）及縮松（顯示為品紅色）分布在集渣筒及直澆道內部，以及冒口處。仿真結果可看出該方案鑄件凝固順序較原始工藝更優(yōu)，凝固過程鑄件內部未出現孤立液相區(qū)，集渣筒能對鑄件最后凝固部分充分補縮。

圖4 新工藝方案

圖5 新工藝方案仿真結果

圖6 采用新工藝方案生產的輥精加工后表面情況

3 生產試制

車間按新工藝方案進行生產試制，鑄件加工后在筒壁及厚壁處表面光亮，均沒有明顯的縮松缺陷，達到了產品的質量要求。

4 結論

（1）通過蕓峰CAE軟件分析了輥最后凝固區(qū)域是靠近直澆道一側的筒壁，因凝固后期得不到補縮易形成縮松缺陷；輥的頂冒口尺寸偏小，對頂部厚壁處補縮作用不足；

（2）在凝固過程中縫隙式澆注系統的集渣筒對鑄件具有補縮效果，配合冷鐵并適當增加頂帽口尺寸，同時直澆道底部附近設置泡沫陶瓷過濾器，生產的輥沒有明顯的縮松缺陷，達到質量要求。