鉤體工藝改進(jìn)方案的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

鉤體工藝改進(jìn)方案的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

鉤體和浮車又名鉤體大鉤，是原油勘探和維修過程中引入的主炮設(shè)備、原油泵和各種工具的重要改進(jìn)設(shè)備。鉤體（也稱鉤體）是其重要的部件。鉤體作業(yè)環(huán)境惡劣,承載力大,安全性要求高,對(duì)鑄件質(zhì)量特別是內(nèi)部質(zhì)量有著很高的要求。由于其形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,重量大,曲面多,因而生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄件比較困難。本文借助計(jì)算機(jī)模擬軟件華鑄CAE/InterCast集成系統(tǒng),結(jié)合多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)某種鉤體進(jìn)行工藝改進(jìn),有效解決了原工藝中鑄件縮孔、夾渣問題,提高了鑄件質(zhì)量和合格率。1表面磁粉探傷我公司生產(chǎn)的鉤體屬于石油裝備零件(圖1),客戶對(duì)鑄件品質(zhì)要求非常高,要求按APISpec8C(鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范)規(guī)范進(jìn)行鑄件內(nèi)部超聲波探傷加表面磁粉探傷,質(zhì)量都要達(dá)到PSL1級(jí)要求,這給工藝技術(shù)提出了更高的要求,也給生產(chǎn)制造增加了更多的困難。鉤體材質(zhì)為ZG35CrMo,鑄件線收縮率取2.0%,鑄件毛重1150kg,主要壁厚50~130mm,截面厚度變化大,不利于液態(tài)補(bǔ)縮。造型材料為樹脂自硬砂,電弧爐熔煉,漏包澆注,低溫快澆,凝固方式采用順序凝固。2當(dāng)前工藝的設(shè)計(jì)和問題2.1部分缺陷缺陷圖2為鉤體原鑄造工藝方案,冒口位于主鉤頂部,造型時(shí)平做,澆注時(shí)立澆。該方案的優(yōu)點(diǎn)是能確切地保證鉤體最大受力部位主鉤部分的內(nèi)部質(zhì)量,但是,多年生產(chǎn)實(shí)踐表明,另一主要受力部位副鉤的內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量都容易出問題。如圖3所示,縮孔、縮松、夾渣是副鉤部位最常出現(xiàn)的幾類問題。2.2副鉤補(bǔ)縮距離優(yōu)化從原工藝方案來看,冒口放在主鉤頂部,距離副鉤位置較遠(yuǎn),約為主體壁厚的6倍,根據(jù)冒口補(bǔ)縮距離與鑄件壁厚的關(guān)系,按板狀件,查表可得補(bǔ)縮距離約為主體壁厚的4.5倍,冒口的補(bǔ)縮距離明顯不夠,盡管副鉤上設(shè)置有外冷鐵,但是,由于副鉤處壁厚較大,外冷鐵的作用并不太明顯,以致造成鑄件副鉤出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。另外,從原工藝方案和鑄件結(jié)構(gòu)上看,澆注過程中,鋼液流到副鉤部位時(shí),上面是型砂,鋼液攜帶的鋼渣及夾雜物由于沒有通道而無法上浮到冒口中去,只能附著在副鉤處造成夾渣缺陷。3改進(jìn)的工藝方案3.1鑄造工藝設(shè)計(jì)及結(jié)果為了消除副鉤處的縮孔縮松、夾渣等缺陷,對(duì)鉤體進(jìn)行工藝改進(jìn)。Ansys有限元受力分析表明,鉤體受力點(diǎn)主要集中在主鉤根部和副鉤上,因此,這兩個(gè)部位更是要求鑄態(tài)組織致密,澆冒口應(yīng)盡量避開這兩個(gè)部位,以免晶粒粗大。改進(jìn)方案一如圖4所示。主鉤中間對(duì)稱水平分型,將冒口設(shè)置在翼板大平面上,澆注系統(tǒng)為兩道底注式,澆冒口均避開了鑄件關(guān)鍵位置。該方案有三個(gè)好處:一是翼板平面較大,能夠放得下冒口,容易切割清理;二是冒口距離主鉤、副鉤兩個(gè)關(guān)鍵位置距離合適,既沒有壓到主鉤、副鉤上容易造成晶粒粗大,又能保證補(bǔ)縮距離實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)縮;三是冒口靠近鑄件主要熱節(jié)部位,其他部分只需設(shè)置少量冷鐵就能實(shí)現(xiàn)鑄件從兩端向中間冒口的順序凝固。鑄件兩個(gè)關(guān)鍵位置均視作近似接頭,主鉤熱節(jié)處做熱節(jié)圓,半徑r=7.1cm,得M=7.1cm,副鉤熱節(jié)處做熱節(jié)圓,半徑r=7.0cm,得M=7.0cm。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),結(jié)合保溫冒口實(shí)際使用情況,關(guān)鍵件取較大的安全系數(shù)1.1,得冒口模數(shù)M≥7.7cm,選用腰圓型保溫冒口350mm×550mm×500mm,模數(shù)8.07cm。用計(jì)算機(jī)模擬軟件華鑄CAE/InterCast驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果,通過模擬顯示,鑄件沒有明顯縮孔,但是在主鉤與翼板結(jié)合部,還有副鉤與翼板結(jié)合部都有明顯的縮松。該方案澆冒口系統(tǒng)有利于渣滓上浮,可以解決副鉤夾渣問題,但關(guān)鍵部位主鉤和副鉤的縮松問題沒有很好解決。3.2冒口位置主鉤和副鉤方向移動(dòng)改進(jìn)方案二如圖5所示,其他不變,將冒口位置分別往翼板里側(cè)和主鉤方向移動(dòng),讓冒口靠近主鉤和副鉤位置同時(shí)又能兼顧二者補(bǔ)縮。通過模擬顯示,主鉤與翼板結(jié)合部缺陷消失,而副鉤與翼板結(jié)合部縮松缺陷仍然存在,只是縮松體積稍微小了一些。3.3冒口補(bǔ)貼方案為徹底解決副鉤這一關(guān)鍵位置的縮松缺陷,再次對(duì)工藝方案進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)分析,對(duì)于副鉤,雖然冒口模數(shù)和補(bǔ)縮距離都已足夠,但是,由于副鉤與翼板結(jié)合部的壁厚略微小于冒口和副鉤位置壁厚,導(dǎo)致從冒口到副鉤的壁厚沒有形成合理的梯度,也就是補(bǔ)縮通道不是很理想。為此,在冒口往主鉤和副鉤的方向增加冒口補(bǔ)貼,長(zhǎng)度方向尺寸以覆蓋到模擬中出現(xiàn)縮松的區(qū)域?yàn)闇?zhǔn),高度從冒口臺(tái)往主、副鉤方向傾斜平滑過渡,以改善補(bǔ)縮通道,如圖6、圖7所示。另外,上下翼板之間連接壁厚略小于翼板壁厚,兩翼板與“薄壁”形成兩個(gè)上下分離的“T”形熱節(jié),為此,經(jīng)與零件設(shè)計(jì)者溝通,將兩翼板連接壁厚增加20mm(即翼板連接圓弧外移20mm),上下補(bǔ)縮通道顯著改善,同時(shí),造型時(shí)下翼板及主鉤處敷鉻礦砂,下型副鉤位置設(shè)置外冷鐵,以增加順序凝固傾向。通過模擬顯示,如圖8,主鉤和副鉤位置缺陷完全消失,除了不影響鑄件質(zhì)量的澆注系統(tǒng)有縮松以外,鑄件上缺陷只出現(xiàn)在螺紋區(qū)的一個(gè)局部熱節(jié)上,該處遠(yuǎn)離冒口,冒口補(bǔ)縮不到,壁厚較大,用外冷鐵效果不理想。經(jīng)仔細(xì)研究,發(fā)現(xiàn)該處需要鉆孔,因此可以考慮使用內(nèi)冷鐵,即便內(nèi)冷鐵不能很好融合,也能在后續(xù)的加工工序去除,而該處的縮孔縮松問題則可以徹底解決。方案三鋼液總重量約1850kg,工藝出品率62.2%,屬正常范圍。4反復(fù)探傷,確定采用改進(jìn)后的第三種工藝方案共生產(chǎn)了5批次15件鉤體,鑄件清理打磨后進(jìn)行超聲波探傷加磁粉探傷,粗加工后再次進(jìn)行超聲波探傷加磁粉探傷,調(diào)質(zhì)后進(jìn)行第三次超聲波探傷,鑄件內(nèi)部均沒有發(fā)現(xiàn)縮松和粗晶,外部也沒有夾渣、裂紋等表面缺陷,探傷合格。在如此嚴(yán)格