基于procas的閘片支撐板鑄造工藝設(shè)計

基于procas的閘片支撐板鑄造工藝設(shè)計

以高鐵列車的形式使用開關(guān)片的支撐板，支撐板應(yīng)擰緊開口，將動能轉(zhuǎn)化為動能，以達(dá)到減速或停止的目的。支撐板結(jié)構(gòu)如圖1:左、右支撐板鑄件對稱，輪廓尺寸406mm×148mm×27mm，約重6.5kg，材料牌號為QT500-7，球化級別應(yīng)達(dá)到或優(yōu)于3級;鑄件組織的石墨大小應(yīng)達(dá)到或優(yōu)于5級;去應(yīng)力退火后要求達(dá)到抗拉強(qiáng)度大于500MPa，屈服強(qiáng)度大于320MPa，伸長率大于7%，布氏硬度HBW在170～230之間。支撐板在制動過程中受較大沖擊，不允許有裂紋、冷隔、縮孔、夾渣等鑄造缺陷存在。1澆注系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，支撐板板厚度19mm，加強(qiáng)筋厚度8mm、左右兩端寬度18mm、上下兩側(cè)寬度12mm，整個鑄件的壁厚較均勻?？紤]經(jīng)濟(jì)性，采用一箱多件生產(chǎn);因閘片支撐板左、右結(jié)構(gòu)對稱，故采用一箱兩件鑄造，后處理時再將其分割開;為便于冒口的放置，鑄件位置為支撐板平面向上，加強(qiáng)筋朝下;分型面設(shè)在支撐板的上表面。支撐板與加強(qiáng)筋左右兩端連接處厚27mm寬18mm是鑄件中最厚大處，易形成熱節(jié)，產(chǎn)生縮松縮孔，降低鑄件的強(qiáng)度。為獲得大的補縮壓力，便于浮渣與排氣，在熱節(jié)位置的正上方，采用了兩個圓柱形明冒口因支撐板屬于典型的高度尺寸不大、水平尺寸較大的中小型鑄件，故澆注系統(tǒng)采用了中注式，即內(nèi)澆道設(shè)在鑄件的中部;為避免液體金屬在支撐板中部進(jìn)入鑄件后分流，充型凝固后易產(chǎn)生冷隔缺陷，內(nèi)澆道設(shè)置在支撐板長度方向的一端?；谝陨戏治?，用3D建模軟件SolidWorks對鑄件及澆注系統(tǒng)進(jìn)行三維實體建模。如圖2所示，三維實體模型由三部分組成，分別是鑄件本體、澆注系統(tǒng)和冒口。建模時，因各部分材料相同，組合成一個實體;為節(jié)省計算資源，采用虛擬鑄型，未建立實際的砂箱模型。2雕塑工藝模型2.1網(wǎng)格劃分系統(tǒng)首先在ProCAST2016的Mesh模塊中對鑄件、澆注系統(tǒng)和冒口進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)幾何清理、裝配、相交檢查后劃分面網(wǎng)格、生成體網(wǎng)格。然后在Cast模塊中增加虛擬砂箱，尺寸取2倍的零件尺寸，并計算熱深度2.2初始條件及設(shè)置鑄件材質(zhì)是QT500，鑄型材料為潮模砂;合金液充填采用重力填充，進(jìn)行熱場和流場計算;充型時間10s，采用模擬系統(tǒng)自帶的流量計算公式，得到流量參數(shù)為1.8kg/s，澆注溫度為1400℃。砂箱的初始溫度設(shè)置為常溫25℃;鑄件與鑄型的界面換熱系數(shù)為800W/(m采用虛擬鑄型，鑄型外表面與大氣絕熱，不需要設(shè)置空冷;進(jìn)行流動分析，需要在整個鑄件外表面(除去澆口位置)加上wall邊界條件，以保證鑄件外表面節(jié)點的速度為0。2.3凝固分?jǐn)?shù)及縮松縮孔圖4為不同時刻鑄件的充型形態(tài)。整個充型過程較平穩(wěn)，無明顯飛濺和沖擊現(xiàn)象;左右速度基本一致，冒口最后充滿;避免了夾砂、卷氣、氣孔和澆不足等缺陷的發(fā)生。圖5為不同時刻鑄件的凝固分?jǐn)?shù)。鑄件的凝固區(qū)域距內(nèi)澆口由遠(yuǎn)及近順序進(jìn)行，先鑄件后冒口，最后澆道。100s時鑄件主體已基本完全凝固，540s時整個澆注系統(tǒng)已全部凝固。圖6為鑄件的縮松縮孔分布圖，采用Cut-off查看，設(shè)置顯示范圍為0.7%～100%。從圖中可以發(fā)現(xiàn)縮松縮孔集中在A與B處(窄的加強(qiáng)筋中間位置與支撐板接觸處)和C處(澆口部分)。3工藝優(yōu)化和數(shù)值模擬3.1工藝改進(jìn)方案冒口和澆口的縮松縮孔缺陷對鑄件質(zhì)量沒有影響;加強(qiáng)筋處產(chǎn)生縮松縮孔的原因，是設(shè)置的原冒口距離缺陷處較遠(yuǎn)，此處凝固晚于與冒口的補縮通道，導(dǎo)致補縮通道凝固后阻塞，在凝固過程中體積收縮得不到補充。針對兩冒口澆注方案，鑄件中部加強(qiáng)筋處有顯著的縮松縮孔缺陷，提出兩種改進(jìn)工藝方案如圖3所示:方案1在支撐板中部另增加一個冒口，以便對此處熱節(jié)進(jìn)行補縮;方案2在背面加強(qiáng)筋中部增加兩個矩形冷鐵(材料為鑄鐵)，以提高此處的冷卻速度，尺寸為12mm×10mm×105mm。3.2縮松縮孔缺陷分析改進(jìn)后方案1和方案2的仿真分析過程與初始方案基本相同。只是方案2加冷鐵后，需要設(shè)置冷鐵與鑄件、冷鐵與鑄型之間的換熱系數(shù)分別為1500W/(m圖8為改進(jìn)后方案1和方案2的鑄件縮松縮孔分布圖。從圖中可知，兩種改進(jìn)方案均消除了鑄件中的縮松縮孔缺陷;方案1的縮孔只存在于增加的冒口(D與F處)和直澆道(E處);方案2的縮孔只存在于遠(yuǎn)端冒口(K處)和直澆道(H處)。因方案2放置冷鐵會增加造型難度;冷鐵的使用次數(shù)及溫度需要嚴(yán)格控制;且冷鐵易上銹，故最終采用更易實施和控制的改進(jìn)方案1三冒口方案進(jìn)行試制驗證。4克氏原螯蝦來源分類cu在實際試制過程中，出鐵溫度1540±10℃，澆注溫度1410～1360℃，澆注時間10s。經(jīng)測定鑄件的化學(xué)成分為:C3.438、Si2.240、Mn0.262、P0.024、S0.012、Cr0.023、Cu0.428、Mg0.049。圖9所示為鑄件實物取樣的金相組織，測得球化石墨的大小為6級，球化率達(dá)90%，珠光體P60%，碳化物和磷共晶均小于1%對澆注的鑄件本體取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果為:抗拉強(qiáng)度σ5