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侧架铸造工艺设计及其模拟优化

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摘要:侧架的内部型腔连接筋较多,经常由于对接不良而导致错位。通过对侧架零件进行分析,利用CASTSOFT软件对侧架进行网格剖分及模拟计算,预测出六个大热节和四个分散小热节,并计算出各自凝固时间、预测出缺陷位置,在此基础上对铸件进行工艺设计,设计了冒口、冷铁和浇注系统,最大程度降低了缺陷,最终得到合理的铸造工艺,从而对侧架的生产提供了可靠的技术支撑,降低了实验耗费,是一种科学可靠的铸造工艺优化技术。

关键词:热节;缺陷;铸件;工艺设计

侧架的内腔连接筋较多,生产制造时容易受人为影响,常常因为对接不良而产生错位[1]。铸造工艺过程比较复杂,易于显现出来缺陷,利用微机模拟仿真,便可在熔炼浇注前对可能出现的缺陷位置和凝固持续时间进行计算,以便设计出最合适的工艺,以保证铸件的生产品质,缩短试验时间,为生产提供理论依据[2]。

1模拟计算前处理

1.1铸件分析

铸件外型尺寸为长2199.64mm,宽565.3mm,高419.8mm;体积为3.963×107mm3,毛坯质量为381kg。平均壁厚为25mm,内腔连接筋较多,材质为B级钢,多用于铁路机车车辆上,其凝固方式为中间凝固,实验性能不好,液相温度高,易形成集中缩孔热裂等铸造缺陷。此零件是对称的,为了加快仿真时间,模拟运算时,只取零件的一半。计算网格数目166万。

1.2边界条件及参数设置

边界条件以及相关参数的设置准确与否,直接影响金属液体和铸型等的换热,会导致热节计算、凝固进程以及缺陷预测偏差很大,经过多次试验、模拟,进行如下设置。凝固过程在液态金属未完全充满型腔时已经开始,对于快浇大中件的砂型铸造,t凝>>t浇,充型时间很短暂,不考虑充型对初始条件的影响,结果计算误差不大,由于侧架尺寸比较大,充型速度大,砂型的起始温度设定为室温(即20℃),铸件初始温度稍低于浇注温度为1580℃。设铸件与砂型之间的换热系数为1100W/m2,砂型表面与大气之间的换热系数为500W/m2。

2裸件凝固模拟及制定工艺

2.1凝固进程模拟及确定

热节边界条件设置好之后,进行无浇注系统和无冒口的裸件凝固计算。通过凝固计算预测出侧架各个部位的凝固时间,确定热节部位及预测各热节的凝固时间。从而使得铸件的浇冒口可以按照热节的温度、出现部位进行设计,参照热节的凝固时间设计,使得铸件按照顺序凝固进行[3]。通过凝固模拟计算得出铸件的整体凝固时间为381.76s,侧架左右两侧凹进去的部位凝固时间最长,为最后凝固部位,是第一热节;凹进去的侧旁的热节为倒数第二最后凝固的部位,凝固时间约为321s,为第二热节,第三热节凝固时间为303s,第四热节为243s,充型结束190.88s以内,没有明显的热节,确定了侧架的热节和凝固次序。

2.2缺陷预测及工艺制定

预测的缺陷主要在铸件的厚大部位[4],尤其是中间顶部的肋板处,缺陷比较集中,根据缺陷预测的位置及凝固进程,制定了如下工艺方案。

(1)冒口。铸件中间上部两肋板交叉处壁最厚,液相结晶凝固最慢,分别设置冒口,尺寸为ф100mm×130mm。铸件中心空腔靠近第三热节的凸台,预测有缩孔,对称地在两凸台分别设计冒口,尺寸为ф85mm×90mm。铸件最长框架中间上部设计一冒口,尺寸为ф50mm×85mm,第一热节处,铸件两侧各设置一冒口,尺寸都为ф80.5mm×120.4mm,并设计了冒口颈。

(2)冷铁。第二热节处设计外冷铁,尺寸为ф16mm×50mm,两肋板交叉处下方设置一冷铁,尺寸为ф16mm×90mm,第四热节共四个位置设计四个冷铁,尺寸都为ф16mm×30mm。

(3)浇注系统。浇注位置从两侧导柱头浇注,分型面在零件竖直方向中间平面上;内浇口安放在两端,内浇口长宽高分别为34.7mm、25mm、40mm,从浇口杯流进钢液,设计为过桥浇注,一件一箱,直浇道直径为45.3mm、高424mm,为了缓冲液体流动速度,在直浇道正下方设计了一浇口窝,浇口窝由一个立方体块和一个半球组成,立方体块在半球上方,立方体块的长宽高尺寸分别为:71.8mm、71.8mm、40.5mm,半球的直径为71mm。

2.3有浇补系统的铸件模拟

计算凝固时间是1461.42s,与裸件的凝固时间381.76s相比,时间变为4倍,其原因是设置了浇补系统总质量增加,从凝固进程图中看出,冒口和浇注系统都比铸件热节凝固时间要晚,从而很好地补缩了铸件凝固过程中的收缩,裸件凝固预测的热节已经基本消除,最后凝固的部位都从裸件中的热节转移到浇冒系统中,表明铸造浇冒工艺设计是合理的[5]。

3预测缺陷与实物对比

比较实物纵剖面图和对应缺陷预测,可以发现此剖面内部型腔没有大缺陷,只是中间空腔上部有少许缩松,实物和预测情况基本吻合,表明上述工艺是切实可行的。

4结语

(1)通过反复试验,找到了合适的初始条件和边界条件相关参数,为准确预测热节、缺陷奠定了基础。

(2)通过不加浇冒系统的裸件凝固模拟,找出了各个热节、预测出各热节的凝固时间,并预测出铸件的缺陷大小和位置,从而为合理地设计浇冒系统提供了参考。

(3)参照各个热节以及缺陷大小和位置,设计出了合理的浇冒系统,进行电脑虚拟浇注后,发现热节和缺陷已经基本消除,并与实物缺陷相比较,结果计算机预测缺陷和实物缺陷基本吻合。

(4)电脑虚拟浇注为铸造实验的进行提供了科学的指导作用,可以降低试制时间、改进工艺及降低实验耗费,是一种科学可靠的铸造技术。

参考文献

[2]柳百城.铸造技术和计算机模拟发展趋势[J].铸造技术,2005(7):611-616.

[3]中国机械工程学会铸造分会.铸造手册[M].北京:机械工业出版社,2004:46-82.

[4]王文清,李魁盛.铸造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2002.

[5]李英民,崔宝侠.计算机在材料热加工领域中的应用[M].北京:机械工业出版社,2001.

[6]刘敬豪,凌云飞.支撑座一体侧架铸造工艺研究及实践[J].中国铸造装备与技术,2013(2).

作者:刘艳明;勾靖国;张安义 单位:山西大同大学

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