基于f-mae的鑄造工藝優(yōu)化

基于f-mae的鑄造工藝優(yōu)化

在鑄造過程中，不同時(shí)期的鑄造工藝存在許多缺陷。為了優(yōu)化其鑄造工藝,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率,現(xiàn)利用FT-star軟件對(duì)鑄造工藝進(jìn)行模擬。本文以電機(jī)機(jī)座鑄件為例進(jìn)行研究。此鑄件材質(zhì)為HT200,鑄件壁厚不均勻,屬厚壁大件,形狀比較復(fù)雜,鑄件體積大澆注時(shí)間長(zhǎng),鑄造難度大。本文首先通過公式計(jì)算來確定冒口及澆注系統(tǒng),進(jìn)而對(duì)提出的兩種優(yōu)化方案進(jìn)行模擬,確定最佳方案,然后論證“中間澆注”的方案具有可行性。1補(bǔ)縮部分凝固時(shí)間的確定由于鑄件本身結(jié)構(gòu)、合金成分、冷卻條件等原因,在不能建立足夠的后補(bǔ)縮和自補(bǔ)縮的情況下才應(yīng)用冒口。一個(gè)需要設(shè)置冒口補(bǔ)縮的鑄件,也必須充分利用后補(bǔ)縮和自補(bǔ)縮,冒口只是補(bǔ)充后補(bǔ)和自補(bǔ)不足的差。任何鑄鐵件的補(bǔ)縮工藝設(shè)計(jì)都應(yīng)該以自補(bǔ)縮為基礎(chǔ)。鑄鐵件的冒口不必要晚于鑄件凝固,冒口在尺寸上或模數(shù)上可以小于鑄件的壁厚或模數(shù)。(1)模數(shù)模數(shù)是指鑄件或鑄件被補(bǔ)縮部分的體積與其表面積的比值。式中:M為鑄件的模數(shù);V為鑄件的體積;A為鑄件的散熱表面積。(2)模數(shù)與鑄件凝固時(shí)間的關(guān)系凝固時(shí)間不管鑄件形狀如何,只要它們模數(shù)相等,其凝固時(shí)間就相等或相近。凝固時(shí)間和模數(shù)的關(guān)系式為:式中:τ為凝固時(shí)間;K為凝固系數(shù)。(3)冒口與鑄件或鑄件被補(bǔ)縮部分凝固時(shí)間的關(guān)系為了實(shí)現(xiàn)冒口對(duì)鑄件的補(bǔ)縮,必須保證冒口的凝固時(shí)間大于或等于鑄件的凝固時(shí)間,即τR≥τC。也就是說,由于同一種材質(zhì)KR=KC,所以整理得MR=MC。(4)收縮模數(shù)的計(jì)算模數(shù)是鑄件凝固時(shí)間的量度,鑄件的凝固時(shí)間可以用下式計(jì)算:式中:AC為鑄件凝固時(shí)間(min);MC為鑄件的凝固模數(shù),也稱幾何模數(shù);K為凝固系數(shù)(min.cm-2)。鑄鐵件收縮時(shí)間對(duì)應(yīng)的模數(shù),稱為鑄件的收縮模數(shù),關(guān)系式為:式中:AP為鑄件的表現(xiàn)收縮時(shí)間,簡(jiǎn)稱收縮時(shí)間,即均衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間;MS為鑄件的收縮模數(shù)。鑄件幾何模數(shù)和收縮模數(shù)的關(guān)系為:(5)周界商的定義鑄件的形狀系數(shù)就是周界商,定義鑄件的體積V與其模數(shù)M3的比值為鑄件的體積周界商Qv;定義鑄件的質(zhì)量G與其模數(shù)M3的比值為鑄件的質(zhì)量周界商Qm:周界商是描述鑄件緊實(shí)程度的參數(shù),它反映鑄件結(jié)構(gòu)中厚壁與薄壁的搭配。一般情況下,密實(shí)體的幾何意義是:在具有最大體積的情況下,表面積最小。在凝固模數(shù)相同時(shí),周界商小的,體積也小,單位時(shí)間內(nèi)凝固的體積就少,表示鑄件厚實(shí),薄壁部分不豐富;相反,周界商大的,體積也大,單位時(shí)間內(nèi)凝固的體積就多,表示鑄件薄壁部分豐富,密實(shí)程度低。鑄件單位時(shí)間內(nèi)凝固體積的差別,會(huì)改變鑄件脹縮動(dòng)態(tài)疊加自補(bǔ)縮的條件,所以周界商的大小反映的鑄件厚壁、薄壁搭配,與補(bǔ)縮設(shè)計(jì)相關(guān)。周界商使鑄件的形狀數(shù)量化,周界商的大小表明了鑄件形狀的特征,形狀越接近簡(jiǎn)單的實(shí)心球體,周界商值越小。反之,鑄件的形狀越接近于展開的大平板,周界商值越大。(6)冒口與鑄件或鑄件被補(bǔ)縮部分凝固時(shí)間的關(guān)系為了實(shí)現(xiàn)冒口對(duì)鑄件的補(bǔ)縮,必須保證冒口的凝固時(shí)間大于或等于鑄件的凝固時(shí)間,即τR≥τC。也就是說,由于同一種材質(zhì)KR≥KC,所以整理得MR≥MC。已知:V=135671.84cm3,A=157320.76cm2,G=98.36kg,代入前面的公式中得Qm=1535kg/cm2>20kg/cm2。電機(jī)機(jī)座鑄件屬于均勻稀疏體,有豐富的薄壁,可以實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造。并且采用無冒口鑄造也大大提高了鑄件的工藝出品率,避免了工藝方案中冒口的清理帶來的麻煩,從而,提高了實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益。故本設(shè)計(jì)采用無冒口澆注。2澆注時(shí)間及截面積計(jì)算(1)計(jì)算內(nèi)澆道截面積:式中:G為鑄件澆注總質(zhì)量(kg);ρ為金屬液密度(kg·cm-3);μ3為內(nèi)澆道流量因數(shù);t為澆注時(shí)間;g為重力加速度(981cm·s-2);HP為平均壓頭(cm);A3為內(nèi)澆道截面積(cm2)。將鐵液的密度ρ及重力加速度g代入(11)式,求得鑄鐵件內(nèi)澆道最小截面積的計(jì)算公式為式中:G值可通過計(jì)算和稱量得到;μ3、t、HP均為待定值,將通過下面的討論確定其值。流量因數(shù)μ值的確定:μ1=0.50~0.65,μ2=0.50~0.65,μ3=0.45~0.60。頂注條件取μ3=0.55~0.60;中間注入時(shí)取μ3=0.50;底注條件和橫澆道長(zhǎng)度超過1000mm或曲折轉(zhuǎn)向時(shí)取μ3=0.45;當(dāng)鑄件壁較薄,鑄型復(fù)雜,鐵液澆注溫度不高時(shí),底注條件下可取μ3=0.35~0.40。本澆注系統(tǒng)采用干型砂,鑄型阻力比較大的選μ3=0.50。①t值的確定和型內(nèi)液面上升速度的較核:計(jì)算澆注時(shí)間是為了使金屬液在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)充滿砂型。每個(gè)鑄件都有一個(gè)適宜的澆注速度。澆注時(shí)間太長(zhǎng),型腔上表面長(zhǎng)時(shí)間受高溫烘烤,會(huì)產(chǎn)生開裂、脫落,致使鑄件夾砂、粘砂和結(jié)疤。還可能使鑄件產(chǎn)生冷隔等鑄造缺陷。澆注時(shí)間太短,可能使型腔中氣體沒有足夠時(shí)間逸出,在澆注剛結(jié)束時(shí),產(chǎn)生過大的液動(dòng)壓力而引起脹腔、抬型和跑火,也可能引起鑄件產(chǎn)生氣孔。澆注時(shí)間的長(zhǎng)短,對(duì)鑄件質(zhì)量有重大的影響。確定合適的澆注時(shí)間,尚無完善的計(jì)算公式,生產(chǎn)中對(duì)于1000kg以下的中、大型鑄件,可按下式確定:式中:t為澆注時(shí)間(s);δ為鑄件平均壁厚(mm),對(duì)于寬度大于壁厚4倍的鑄件,δ可取鑄件的壁厚;對(duì)于圓形和正方形的鑄件,δ取直徑或邊長(zhǎng)的一半;對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件,δ取主要部分的壁厚;S1為系數(shù),一般情況下,S1=2,當(dāng)鐵液含硫較高,流動(dòng)性較差或澆注溫度較低,或用底注,或有外、內(nèi)冷鐵而快澆時(shí),由δ=20mm,得t=S1姨δG=58.75s。澆注時(shí)間計(jì)算出來以后,對(duì)具有大平面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁鑄件,還要校核鐵液在砂型中的液面上升速度vL(mm/s)。vL太小,可能形成結(jié)殼、產(chǎn)生冷隔;在砂型頂面和側(cè)面可能出現(xiàn)夾砂、結(jié)疤等缺陷。式中:C為鑄件在澆注位置時(shí)的高度(cm);t為澆注時(shí)間(s)。vL值應(yīng)大于表1中所列的參考值,如果vL太小,則要調(diào)整t,甚至修改方案。vL取1.0~2.0,C=126.7,得到t=C/vL=63.35~126.7s。取t=68s。(2)確定平均靜壓力頭HP:平均靜壓力頭在生產(chǎn)中按金屬液流經(jīng)澆注系統(tǒng)所做的功來計(jì)算。不同澆注形式的平均靜壓力頭高度計(jì)算式如表2。選用頂部注入的方式澆注,P=0,HP=H0=150mm。將以上計(jì)算結(jié)果代入式(12),得A3=28cm2。取A3=22.0cm2。(2)計(jì)算橫澆道、直澆道截面積:由于鑄件基本上是圓桶形的,故采用雨淋式澆注系統(tǒng),由A3∶A2∶A1=1∶1.5∶1.2,計(jì)算得A2=33.0cm2,A1=26.4cm2。(3)內(nèi)澆道、橫澆道、直澆道個(gè)數(shù)及形狀的確定如表3所示。取內(nèi)澆道截面形狀[A3]為D=16mm的圓柱形,11道,取高度為20mm。取橫澆道截面形狀[A2]為60/42mm×64mm扁平形。取直澆道截面形狀[A1]為D=58mm的圓柱形。(4)按照澆注系統(tǒng)的實(shí)際尺寸計(jì)算h3,判斷橫澆道是否充滿:式中:k1=(μ1A1)/(μ2A2),k2=(μ1A1)/(μ3A3)。取μ2=0.60,μ1=0.60,得k1=0.8,k2=1.44。由(15)式,則得h3=114.6mm。h橫-h內(nèi)/2=64-10=54mm,h3-(h橫-h內(nèi)/2)=114.4-54=60.4mm。表明,澆注系統(tǒng)橫澆道充滿有余60.4mm。由以上的分析得出鑄件的澆注系統(tǒng)如圖1所示。3前處理方面的模擬使用清華大學(xué)開發(fā)的軟件FT-star進(jìn)行模擬。由于FT-star的材質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)比較豐富,所以前處理部分的工作變得簡(jiǎn)單的多。鑄件的充型過程如圖2所示,可看出金屬液全部充滿。模擬的溫度場(chǎng)如圖3所示,縮孔如圖4所示。模擬結(jié)果表明:采用頂注式澆注來補(bǔ)縮鑄件的收縮,鑄件中有缺陷存在,在澆注系統(tǒng)和直澆道的對(duì)面產(chǎn)生縮孔。4澆注方案優(yōu)化(1)將與橫澆道相連的直澆道延長(zhǎng)到對(duì)面部分上,同時(shí)在最后充型時(shí)溫度較高的部分添加冷鐵。設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)如圖5所示,縮孔顯示如圖6所示。模擬結(jié)果表明,采用加冷鐵的方法,效果也不是很理想,雖然原來部分的縮孔減少了,但總的量還是沒怎么減少,說明這種方案也是不行的。(2)采用從中間澆注的方法。前面的結(jié)果顯示,在原來的缺陷部分仍存在很多的缺陷,故采用從中間澆注的方法澆注,一方面可以縮短直澆道和鑄件的距離,另一方面可以讓鑄件從兩側(cè)同時(shí)凝固,以改變其溫度場(chǎng)分布,來達(dá)到優(yōu)化的目的。設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)如圖7所示,模擬的結(jié)果如圖8所示。模擬結(jié)果表明,雖然改進(jìn)后的結(jié)果中仍有缺陷存在,但是這些缺陷不是在鑄件的重要部位了,它們存在于鑄件的加工余量上,在后處理過程中將被處理掉,對(duì)鑄件沒有太大的影響,所以這種優(yōu)化方案是可行的。5澆注方案的確定鑄件的冒口和澆注系統(tǒng)可以根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算得出,一般情況下即使鑄件不同也不會(huì)有太大差別。但是由于鑄件體積大,壁厚分布不均勻,而澆注過程的單一冒口恰是矛盾點(diǎn),由此改進(jìn)澆道成為比較理想的方案。在逐漸的澆注模擬圖中也容易看出,原方案存在缺陷比較大。設(shè)計(jì)兩個(gè)改進(jìn)的澆注方案,第一個(gè)是延長(zhǎng)與橫澆道相連的直澆道,