胡騰騰，賈麗敏，于延龍，李春海，趙海波，宋東君，譚建波

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018；3.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊 050100；4.唐山曹妃甸冀東裝備機(jī)械熱加工有限公司，河北唐山 063200)

鑄鋼件廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、運(yùn)輸、機(jī)車牽引、起重機(jī)械和風(fēng)電領(lǐng)域[1-5]。因砂型鑄造適用性廣、生產(chǎn)成本低，所以在很多鑄鋼件的生產(chǎn)中仍被使用[6-8]。鄭寶堂[9]對(duì)鐵路貨車17型車鉤鉤體鑄鋼件工藝方案模擬得較好，其鑄造工藝參數(shù)：澆注溫度為1 580 ℃，充型30 s時(shí)，澆注速度為75 cm/s。韓寶等[10]對(duì)輪軸鑄鋼件鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行了數(shù)值模擬，其研究結(jié)果：澆注溫度為1 570 ℃，澆注速度為10 kg/s。劉晨等[11]采用計(jì)算機(jī)模擬的方法優(yōu)化了橫梁鑄鋼件砂型鑄造工藝，在澆注溫度為1 550 ℃時(shí)，工藝出品率為72%。砂型鑄造殼體鑄鋼件加工余量大，生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生氣孔、夾雜、澆不足及縮孔、縮松等缺陷，導(dǎo)致鑄件合格率較低，筆者通過ProCAST軟件模擬鑄造工藝參數(shù)對(duì)鑄鋼殼體鑄件孔隙體積大小的影響，為鑄鋼殼體砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，從而減少試驗(yàn)工作量，降低鑄件試制周期和費(fèi)用，減少鑄件缺陷，提高鑄件質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 化學(xué)成分

殼體鑄件采用ZG270-500，該合金具有一定的塑性及韌性，強(qiáng)度和硬度較高，微觀組織為奧氏體和鐵素體，具有良好的機(jī)械加工性能，同時(shí)還可承受較大載荷，其化學(xué)構(gòu)成見表1。

表1 ZG270-500合金殼體的化學(xué)構(gòu)成Tab.1 Chemical composition of ZG270-500 alloy shaft housing 單位：%

1.2 結(jié)構(gòu)模型

圖1 殼體鑄件圖Fig.1 Shell casting drawing

1.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)分型面的選擇原則，初步設(shè)計(jì)了2種鑄造工藝方案，第1種工藝方案將內(nèi)澆道設(shè)計(jì)在鑄件底座處，如圖2所示；第2種工藝方案將內(nèi)澆道放置在鑄件圓筒狀部位，如圖3所示。此2種工藝造型簡(jiǎn)單，便于操作。由于鑄件為鑄鋼件，澆注系統(tǒng)采用開放式澆注系統(tǒng)，該澆注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為充型平穩(wěn)，避免紊流，可以減少金屬液氧化。

圖2 第1種工藝方案Fig.2 The first process scheme

圖3 第2種工藝方案Fig.3 The second process scheme

采用底注塞桿鋼水包澆注，孔徑為40 mm，查閱鑄造工藝手冊(cè)，可知澆孔平均流量速度為27 kg/s。澆注時(shí)間按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：t為澆注時(shí)間；GL為型內(nèi)鋼液質(zhì)量，GL=450 kg；N為同時(shí)澆注的澆包數(shù)，N=1；n為1個(gè)澆包內(nèi)的澆孔數(shù)，n=1；q為平均澆注速度。

根據(jù)式(1)可以計(jì)算出，t=16.7 s。

澆注時(shí)間是否合適，可用鋼液在型內(nèi)的上升速度驗(yàn)算，見式(2)：

(2)

式中：v為鋼液在鑄型內(nèi)的上升速度；C為鑄件在型腔內(nèi)的高度，C=356 mm；t為澆注時(shí)間，t=16.7 s。

根據(jù)式(2)計(jì)算得出鋼液在型內(nèi)的上升速度為21.3 mm/s。

選擇的澆注系統(tǒng)各組元截面積比如式(3)所示：

烏有先生團(tuán)團(tuán)臉，酒糟鼻，胖胖的，就像廟里的彌勒佛，蓄起頭發(fā)胡子，換下僧袍轉(zhuǎn)行做起道士，艱難的棋局令人費(fèi)神，弄得他臉上層層油汗。子虛先生清癯、瘦削，好像一只打坐的鶴似的，烏有出子慢吞吞的，他卻很快，閃電似的，手指將棋子掣出來，穩(wěn)穩(wěn)地彈到棋盤上，棋子就放在他們身邊一個(gè)荒廢的鳥巢里。聽到有少年提到媼婦譜，子虛轉(zhuǎn)過臉，淡淡地說：“你會(huì)下棋？”

∑A阻∶∑A直∶∑A橫∶∑A內(nèi)=
1∶(1.8～2.0)∶(1.8～2.0)∶(2.0～2.5)，

(3)

包孔直徑Φ=40 mm，根據(jù)式(3)計(jì)算得∑A阻=1 256 mm2；∑A內(nèi)=2 763 mm2；∑A直=2 386 mm2，Φ直=55 mm。

2 澆注過程數(shù)值模擬

2.1 模擬前處理

將澆注系統(tǒng)繪制完成之后，使用ProCAST軟件對(duì)殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取合適的網(wǎng)格步長(zhǎng)，從而保證在數(shù)值模擬分析流程獲得精確的總時(shí)間及模擬仿真結(jié)果[12-17]。在 Visual-Mesh 工作頁面下導(dǎo)入鑄件，鑄件網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為30 mm，劃分的面網(wǎng)格總數(shù)為12 722個(gè)，體網(wǎng)格總數(shù)為45 906個(gè)。利用Mesh的 Checks 流程從 1D，2D再到 3D依次檢查網(wǎng)格劃分出現(xiàn)的裂紋、交叉、破損、體重疊、結(jié)合面的配合等問題，在網(wǎng)格劃分階段對(duì)這些缺陷進(jìn)行全面修復(fù)，完成最終體網(wǎng)格的建立。在前處理階段，設(shè)置鑄件材料為Medium-Carbon AISI 1040(ZG270-500)，樹脂砂造型、制芯，型砂、砂芯材料為硅砂。其砂型溫度為25 ℃，冷卻方式為COINC，金屬和砂型的換熱系數(shù)為1 000 W/(m2·K)。依次設(shè)置重力加速度、邊界條件、冷卻方式等參數(shù)。

2.2 金屬液充型和凝固過程的模擬和分析

設(shè)置澆注溫度為1 560 ℃，澆注速度為1.6 m/s。設(shè)定完成后，使用模擬軟件對(duì)2種方案進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，在殼體筒狀部位的上方出現(xiàn)了澆不足缺陷，因此，在澆不足的部位設(shè)計(jì)了2個(gè)明冒口，并進(jìn)行了模擬，方案1的溫度場(chǎng)如圖6所示，孔隙分布圖如圖7所示。方案2的溫度場(chǎng)如圖8所示，孔隙分布圖如圖9所示。方案1的孔隙體積為 28.23 cm3，方案 2的孔隙體積為 50.58 cm3，由于缺陷太多，導(dǎo)致殼體鑄件無法使用。

圖4 方案1的充型結(jié)果Fig.4 Filling results and defects of scheme 1

圖5 方案2的充型結(jié)果Fig.5 Filling results and defects of scheme 2

圖6 方案1的溫度場(chǎng)Fig.6 Temperature field of scheme 1

圖7 方案1孔隙分布圖Fig.7 Pore distribution of scheme 1

圖8 方案2的溫度場(chǎng)Fig.8 Temperature field of scheme 2

圖9 方案2孔隙分布圖Fig.9 Pore distribution of scheme 2

3 優(yōu)化工藝方案及模擬結(jié)果分析

3.1 工藝優(yōu)化

由于方案1和方案2在殼體筒狀部位的上方出現(xiàn)了澆不足缺陷，通過分析圖7和圖9，方案1和方案2孔隙類缺陷也比較多，而且，在實(shí)際生產(chǎn)中底座處也出現(xiàn)縮松，為此設(shè)計(jì)了第3種方案(見圖10)，內(nèi)澆口位置進(jìn)行了調(diào)整，設(shè)計(jì)了4個(gè)明冒口，其中2個(gè)明冒口直徑為110 mm，高為350 mm。另2個(gè)明冒口為臺(tái)階狀，下部直徑為200 mm，高為32.5 mm，上部直徑為135 mm，高為330 mm。

圖10 第3種工藝方案Fig.10 The third process scheme

第3種工藝方案的充型過程，如圖11所示。當(dāng)金屬液進(jìn)入鑄型型腔時(shí)，金屬液向內(nèi)澆口下部、內(nèi)澆口右側(cè)同時(shí)充填，然后自下而上填充，充型過程由下而上，有利于型腔中氣體的排出，減少鑄件中氣孔的形成。從充型過程溫度分布來看，鑄件在整個(gè)充型過程中，基本上鑄件底座部分溫度低，圓筒狀部位溫度高，當(dāng)初始澆注溫度為1 560 ℃，充型剛結(jié)束時(shí)的最低溫度約1 100 ℃。從充型過程的溫度場(chǎng)可以看出，金屬液在內(nèi)澆道處的溫度稍微高一些。 在澆注初期，金屬液的溫度下降比較快，而隨著澆注的不斷進(jìn)行，金屬液的溫度下降速率降低，基本處于穩(wěn)定階段。即金屬液在澆注初期， 熱量散失相對(duì)而言比較嚴(yán)重， 而隨著澆注時(shí)間的增加，熱量散失相對(duì)而言比較小。

圖11 方案3的充型過程Fig.11 Filling process of scheme 3

金屬液的凝固過程如圖12所示。 整體上看，鑄件完全凝固需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)， 凝固速度比充型要慢得多。鑄件在整個(gè)凝固過程中的溫度分布，基本上由底座向圓筒狀部位溫度逐漸升高，底座部位溫度較低，先凝固，圓筒狀部位溫度較高，即鑄件薄壁處先凝固，壁厚較大處后凝固，在后凝固的部位設(shè)置了冒口，加強(qiáng)了補(bǔ)縮，凝固結(jié)束后，鑄件無缺陷出現(xiàn)，證明此工藝合理。

圖12 方案3的凝固過程Fig.12 Freezing process of scheme 3

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在砂型鑄造中，澆注溫度和澆注速度是鑄造工藝中的2個(gè)重要參數(shù)，為了得到較合理的澆注溫度和澆注速度，在第3種工藝方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的虛擬正交試驗(yàn)因素水平表見表2。

表2 試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Factor level table of orthogonal experiment

3.2.2 極差分析

該試驗(yàn)的極差分析結(jié)果見表3。

表3 極差分析結(jié)果Tab.3 Range analysis results

從表3中可以看出各因素對(duì)缺陷孔隙體積的極差，澆注溫度對(duì)應(yīng)的極差為2.290，大于澆注速度對(duì)應(yīng)的極差0.844，說明澆注溫度對(duì)孔隙體積影響較大；隨著澆注溫度的增加，孔隙體積先減小后增大，而隨著澆注速度的增加，孔隙體積先減小后增大。根據(jù)極差分析可以得到，2個(gè)因素對(duì)殼體鑄件質(zhì)量的影響程度排序是：澆注溫度>澆注速度。最優(yōu)的組合參數(shù)為澆注溫度 1 560 ℃，澆注速度1.6 m/s?？紫斗植紙D如圖13所示，可知?dú)んw鑄件孔隙缺陷體積為1.416 cm3，比第1種和第2種方案的孔隙缺陷體積都少。

圖13 方案3優(yōu)化后的孔隙分布圖Fig.13 Optimized pore distribution of scheme 3

經(jīng)工藝改進(jìn)后，鑄件合格率由原來的81%提高到96%，工藝出品率為66%。

4 結(jié) 語

依據(jù)殼體鑄件的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3種澆注工藝方案，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件研究了澆注溫度、澆注速度對(duì)砂型鑄造殼體充型、凝固過程及鑄件孔隙體積的影響；研究結(jié)果可為殼體類鑄鋼件砂型鑄造工藝的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。所得結(jié)論如下：

1)第1種和第2種工藝方案，在鑄件上方均出現(xiàn)了澆不足鑄造缺陷，第3種工藝方案，縮孔、縮松缺陷體積明顯減少，方案較好；

2)第3種工藝方案中，影響孔隙缺陷體積的主次因素順序?yàn)闈沧囟?澆注速度，澆注溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響。在澆注溫度為1 560 ℃、澆注速度為1.6 m/s時(shí)，殼體鑄件孔隙缺陷體積最少，為1.416 cm3，鑄件合格率為96%。

不足之處在于模擬軟件對(duì)砂型鑄造型腔內(nèi)涂料層的參數(shù)設(shè)置與實(shí)際生產(chǎn)有一定差別，未來可以在模擬中加入對(duì)涂料層材料及厚度的設(shè)置，從而使模擬結(jié)果更加貼合實(shí)際。另外，本研究是針對(duì)澆注位置、鑄造工藝參數(shù)對(duì)殼體鑄鋼件砂型鑄造充型及凝固過程的影響進(jìn)行了模擬和分析，未來將對(duì)凝固過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力問題進(jìn)行研究。