下降導(dǎo)槽鑄造工藝設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

下降導(dǎo)槽鑄造工藝設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

減少導(dǎo)槽鑄鐵主要用于大型清濾機(jī)和挖掘機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此通常采用單件小批生產(chǎn)。圖1為下降導(dǎo)槽鑄件圖,輪廓尺寸為795mm×295mm×355mm,鑄件質(zhì)量為90kg,材質(zhì)為ZG310-570,屬于中小型鑄鋼件。1陷岸根據(jù)鑄件的應(yīng)用環(huán)境,要求鑄件無(wú)縮孔、縮松缺陷,表面無(wú)夾渣。實(shí)際生產(chǎn)中由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,壁厚分布不均勻,容易產(chǎn)生較多的縮孔、縮松缺陷,本文首先針對(duì)原始工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬。1.1澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)該件一端有圓盤凸臺(tái),另一端有燕尾槽,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及設(shè)計(jì)要求,下降導(dǎo)槽的孔和表面淺槽都不鑄造出來(lái),屬于機(jī)加工成形。設(shè)計(jì)中采用自硬性水玻璃砂造型,澆注系統(tǒng)采用半封閉式,通過(guò)計(jì)算得出澆注系統(tǒng)各組元橫截面積,ΣF直=30.58cm2,ΣF橫=22.24cm2,ΣF內(nèi)=27.8cm2。取明冒口的形狀為圓柱形。在鑄件的左邊放置的冒口直徑為75mm,高為150mm;右邊放置的冒口直徑為85mm,高度為160mm。同時(shí)在下面圓形凸臺(tái)的中心位置加了直徑為60mm,高15mm的冷鐵,如圖2所示。1.2u2004軟件中的參數(shù)設(shè)置首先使用三維造型軟件對(duì)鑄造工藝進(jìn)行三維實(shí)體造型,輸出STL文件后,再導(dǎo)入ViewCast模擬軟件。該軟件可以較準(zhǔn)確模擬鑄造充型、凝固、缺陷預(yù)測(cè)及組織演變等過(guò)程。首先對(duì)導(dǎo)入的文件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,鑄件成分及熱物性參數(shù)的選擇,澆注溫度為1580℃,鑄鋼牌號(hào)ZG310-570,砂型初始溫度25℃。網(wǎng)格的劃分選擇均勻網(wǎng)格剖分,考慮到計(jì)算速度及模擬精度,網(wǎng)格單元100萬(wàn)。1.3初始方案t=133s圖3為初始工藝模擬結(jié)果,t=113s時(shí),鑄型內(nèi)液態(tài)金屬液的溫度場(chǎng)發(fā)生了變化,表現(xiàn)為最外層金屬液的溫度最高,而內(nèi)部的金屬液溫度場(chǎng)開(kāi)始向凝固態(tài)的溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)變,如圖3(a)所示;t=143s時(shí),整個(gè)鑄件的最外層出現(xiàn)了薄薄的1層凝固區(qū),溫度場(chǎng)較113s時(shí)無(wú)太大變化,如圖3(b)所示;t=253s時(shí),側(cè)圓臺(tái)中部由于冷鐵的作用,出現(xiàn)圓形的凝固區(qū),外層的凝固范圍繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)展,如圖3(c)所示;t=413s時(shí),底層基本凝固,但在圓臺(tái)處還存有微量的金屬液,橫澆道和內(nèi)澆道完全凝固,如圖3(d)所示;t=513s時(shí),鑄件內(nèi)存在兩大一小的3塊孤立的液相區(qū),冒口上部大部分區(qū)域已經(jīng)凝固,冒口不能對(duì)鑄件有效地補(bǔ)縮,中部的1小塊孤立液相區(qū)在凝固結(jié)束后會(huì)形成缺陷,如圖3(e)所示;t=713s時(shí),直澆道和冒口完全凝固,鑄件中還存在有兩小塊孤立液相區(qū),凝固結(jié)束后也會(huì)產(chǎn)生缺陷,如圖3(f)所示。圖4是原始方案鑄件完全凝固后的缺陷分布圖。從圖中可以看出,鑄件共有6處影響鑄件性能的缺陷。缺陷1在圓臺(tái)與分型面的交界處,小熱節(jié)影響補(bǔ)縮效果不好;缺陷2、4是由于最后凝固時(shí)沒(méi)有金屬液補(bǔ)縮產(chǎn)生的;缺陷3由于圓臺(tái)中間冷鐵激冷效果不理想而造成的;缺陷5是冒口補(bǔ)縮效果不好,補(bǔ)縮通道過(guò)早中斷引起的。缺陷6最后凝固,缺少補(bǔ)縮通道。2提高和優(yōu)化工藝2.1冒口補(bǔ)縮方案2對(duì)于原始方案模擬出的缺陷,考慮到實(shí)際生產(chǎn)中熔煉金屬液的成本和工藝特點(diǎn),對(duì)原始方案中出現(xiàn)缺陷的地方放置小型冷鐵,用冷鐵的激冷功能消除缺陷;將冒口直徑增加10mm,冒口高度保持不變。從圖5(a)中看出,從凝固開(kāi)始,加冷鐵部位先冷卻。由圖5(b)顯示其冷卻速度比原始方案凝固更快。冷鐵起到了效果,達(dá)到激冷效果。圖5(c)中,下面圓臺(tái)和最后凝固部位,補(bǔ)縮通道已被割斷,達(dá)不到補(bǔ)縮效果,會(huì)導(dǎo)致缺陷出現(xiàn),冷鐵的效果沒(méi)達(dá)到預(yù)期消除缺陷的目的。圖5(e)、(f)中,兩個(gè)明冒口加大以后,補(bǔ)縮效果較好,金屬液在冒口內(nèi)最后凝固,補(bǔ)縮通道一直存在。相比原始方案,冷卻更快,冒口補(bǔ)縮效果更好。被隔離的區(qū)域有所減少。首先末端冷鐵部位出現(xiàn)凝固,然后模數(shù)大的地方依次凝固,冒口處模數(shù)最大的地方最后凝固,凝固順序符合設(shè)計(jì)思想。結(jié)合改進(jìn)方案1的缺陷預(yù)測(cè)圖6,我們發(fā)現(xiàn)缺陷分布情況未得到很好的改善,沒(méi)有消除縮松、縮孔缺陷。相對(duì)于原始方案冒口補(bǔ)縮效果已經(jīng)相當(dāng)好了。冒口下面的缺陷在加冷鐵后很好凝固,沒(méi)有缺陷,達(dá)到了預(yù)期的效果。在凸出塊處加冷鐵后,其與平板交接出缺陷消失了,但缺陷向凸出塊頂部移動(dòng),沒(méi)有達(dá)到消除缺陷的目的。下面圓臺(tái)處加放冷鐵后,不僅沒(méi)有消除原來(lái)的缺陷,而且出現(xiàn)了缺陷的轉(zhuǎn)移,沒(méi)達(dá)到預(yù)期的效果。下表面內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋的缺陷相對(duì)原始方案有所減少,但仍然沒(méi)有消除。根據(jù)改進(jìn)方案1的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn):相對(duì)于原始方案,冒口加大,補(bǔ)縮效果很好,冒口下面沒(méi)有缺陷;在加放冷鐵和加大冒口尺寸的方法下,原始方案中的部分缺陷在優(yōu)化方案1中消除了,其余缺陷部分減少,但沒(méi)有達(dá)到明顯效果,有些缺陷還出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移。2.2對(duì)冒口尺寸進(jìn)行修改改進(jìn)方案1中使用的冷鐵不能完全消除缺陷,因此,改進(jìn)方案2除在凸出塊下部與鑄件基體相連接處放置冷鐵進(jìn)行消除熱節(jié)外,其他缺陷處不再放置冷鐵,增加冒口雖然補(bǔ)縮了鑄件,消除了缺陷,但考慮到工藝出品率,冒口應(yīng)在不浪費(fèi)金屬液的前提下,對(duì)鑄件進(jìn)行最大限度的補(bǔ)縮,故采用保溫冒口一方面減小冒口尺寸。另一方面使冒口內(nèi)的金屬液保持較高的溫度場(chǎng),形成1個(gè)正的溫度梯度,對(duì)原冒口尺寸進(jìn)行修改,左側(cè)明冒口的直徑改為100mm,高度為120mm,右側(cè)冒口的直徑改為95mm,高度為110mm,在凸出塊頂部安放準(zhǔn)50mm×80mm的冒口,在左側(cè)下部的圓臺(tái)中心位置加直徑為50mm的暗冒口。改進(jìn)方案2的工藝如圖7所示。改進(jìn)方案2凝固模擬結(jié)果如圖8所示,由于安裝了保溫套,鑄件凝固過(guò)程發(fā)生了變化,在鑄件的凝固過(guò)程中,保溫套內(nèi)的金屬液始終處在較高的溫度范圍內(nèi),圖8(a)顯示鑄件內(nèi)存在較高的溫度場(chǎng),底部出現(xiàn)規(guī)則的凝固區(qū);圖8(b)顯示鑄件底部凝固平穩(wěn),底部側(cè)冒口成功對(duì)底部進(jìn)行補(bǔ)縮,凸出塊下部放置冷鐵的位置出現(xiàn)凝固區(qū);圖8(c)顯示冷鐵激冷的區(qū)域形成方形的凝固區(qū),冒口對(duì)鑄件發(fā)揮著補(bǔ)縮作用,鑄件呈現(xiàn)出由下向上的順序凝固;這樣有利于保證鑄件下部的質(zhì)量,當(dāng)凝固到349s時(shí),鑄件上部和下部的金屬液已斷開(kāi),在保溫套的作用下,鑄件內(nèi)形成正的溫度梯度,保溫冒口內(nèi)的金屬液繼續(xù)發(fā)揮補(bǔ)縮作用,如圖8(d)所示。圖9為改進(jìn)方案2的缺陷預(yù)測(cè)圖,從圖中可以清晰地看出,鑄件內(nèi)所有的缺陷都已成功轉(zhuǎn)移至冒口處,消除了改進(jìn)方案1中存在的缺陷,保溫冒口、暗冒口和側(cè)冒口起到了很好的補(bǔ)縮效果。3鑄造工藝及保溫本文通過(guò)數(shù)值模擬方式對(duì)原始工藝方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,消除了原始工藝方案中產(chǎn)生的縮孔、縮松缺陷。模擬結(jié)果顯示,采用保溫冒口一方面減小了普通冒口的尺寸,冒口尺寸的降低在一定程度上減少熔煉的金屬液體積,進(jìn)而節(jié)約了生產(chǎn)成本;另一方面