輪轂鑄造工藝設(shè)計及工藝優(yōu)化

輪轂鑄造工藝設(shè)計及工藝優(yōu)化

圖1顯示了942個鼓風(fēng)帶冷卻機(jī)械輪廓的結(jié)構(gòu)模型。材料為zg310-570，鑄造輪廓尺寸為438mm438mm1470mm，質(zhì)量為1694kg。傳動軸架必需經(jīng)過超聲波探傷檢查,要求組織致密,不允許出現(xiàn)縮孔、縮松、裂紋、氣孔等鑄造缺陷。以往在生產(chǎn)各類鑄件時,主要憑借技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計,鑄件質(zhì)量很難得到保證,鑄件缺陷難以有效控制,廢品率很高。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法建立在試錯法的基礎(chǔ)上,成本過高。已不能適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。采用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行工藝設(shè)計,可不經(jīng)實(shí)際澆鑄即可預(yù)測出鑄件中可能出現(xiàn)的缺陷類型、大小及位置,進(jìn)而優(yōu)化工藝。本文首先采用傳統(tǒng)的工藝設(shè)計方法確定鑄鋼輪轂的初始鑄造工藝,再通過V-Cast軟件對初始工藝進(jìn)行模擬計算,根據(jù)計算結(jié)果提出改進(jìn)措施,優(yōu)化工藝,最終確定了合適工藝,消除了缺陷,得到了質(zhì)量合格的鑄件。1初步工藝設(shè)計1.1鑄造工藝設(shè)計根據(jù)輪轂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求,確定出其澆注位置及分型面。澆注時輪轂水平放置,分型面選在中間最大截面處,金屬液從鑄件中間對稱水平引入型腔,在鑄件厚大部位上部設(shè)置冒口對鑄件體收縮進(jìn)行補(bǔ)足,以實(shí)現(xiàn)自下而上的順序凝固,造型材料為樹脂砂,澆注溫度1580℃。工藝方案如圖2所示。1.2校核鋼液厚度設(shè)計鑄鋼的鑄造性能較差,澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單,充型快而平穩(wěn)。采用開放中注式澆注系統(tǒng),從鑄件中部分兩路同時引入金屬液體。采用漏包澆注,其保溫性能好,流出的鋼液夾雜物少,無需采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的澆注系統(tǒng)撇渣。選用包孔的直徑Φ50mm;采用一個直澆道,尺寸為Φ80mm;一個橫澆道,尺寸為Φ60mm兩個內(nèi)澆道,尺寸為準(zhǔn)60mm。1.3冒口尺寸設(shè)計根據(jù)模數(shù)法計算出鑄件模數(shù),確定在輪轂上部采用一個圓柱冒口,尺寸為Φ520mm×460mm,對中間鑄件補(bǔ)縮。鑄件圓周勻布4個200mm×400mm×300mm的腰形冒口,對圓周進(jìn)行補(bǔ)縮。2硬過程中的計算機(jī)模擬2.1初始鑄造方案對初始工藝(方案Ⅰ)進(jìn)行凝固模擬,其結(jié)果如圖3所示。圖中深色部位表示金屬液為液態(tài)或半固態(tài),未完全凝固,淺色表示已完全凝固。可以看出,當(dāng)凝固時間進(jìn)行到t=600s時,輪轂圓周、底部和澆注系統(tǒng)開始凝固,見圖3(a);當(dāng)t=800s時,澆注系統(tǒng)、加強(qiáng)筋結(jié)束凝固,見圖3(b);當(dāng)t=2000s時,圓周大部分區(qū)域已凝固,4個腰形冒口對剩余液態(tài)金屬進(jìn)行補(bǔ)縮,中間大冒口對鑄件中部進(jìn)行補(bǔ)縮,凝固過程進(jìn)一步進(jìn)行,見圖3(c);當(dāng)t=2450s時,鑄件內(nèi)出現(xiàn)補(bǔ)縮瓶頸,補(bǔ)縮通道即將斷開,見圖3(d);當(dāng)t=2600s時,鑄件內(nèi)出現(xiàn)4部分孤立液相區(qū),見圖3(e);當(dāng)t=3500s時,圓周4部分液相區(qū)延伸到了4個腰形冒口跟部,見圖3(f);當(dāng)t=6800s時,4個腰形冒口結(jié)束凝固,中間大冒口繼續(xù)對中間鑄件部分進(jìn)行補(bǔ)縮,見圖3(g);當(dāng)t=13800s時,中間大冒口即將結(jié)束凝固,見圖3(h)。由于液態(tài)金屬在凝固過程中存在體積收縮,孤立液相區(qū)的凝固收縮得不到額外金屬液的補(bǔ)足,這些區(qū)域在凝固最后階段必然會出現(xiàn)縮孔、縮松等鑄造缺陷。初始工藝縮孔、縮松分布預(yù)測如圖4所示。在方案Ⅰ中,冒口的數(shù)量和補(bǔ)縮能力都滿足鑄件凝固收縮要求,缺陷主要產(chǎn)生于4部分孤立液相區(qū)部位。由于縮孔、縮松面積過大,嚴(yán)重影響了鑄件的使用性能,造成鑄件報廢,需進(jìn)行工藝改進(jìn)。2.2凝固方案確定根據(jù)方案Ⅰ模擬結(jié)果,認(rèn)為缺陷是由于樹枝狀晶體形成骨架時,宏觀補(bǔ)縮通道被堵塞,致使樹枝狀晶體分割包圍的液體部分形成微觀縮松,補(bǔ)縮通道不暢造成了縮孔、縮松缺陷。對方案Ⅰ工藝改進(jìn)的要點(diǎn)是延長冒口的有效補(bǔ)縮距離,消除凝固過程中出現(xiàn)的4部分孤立液相區(qū),工藝系統(tǒng)能使鑄件按照要求的方式凝固。通過添加冷鐵使方案Ⅰ工藝中出現(xiàn)的4部分孤立液相區(qū)部位先凝固,保證冒口的補(bǔ)縮通道通暢,使孤立液相區(qū)間部分延伸至冒口中,冒口最后凝固,將缺陷轉(zhuǎn)移至冒口之中。在出現(xiàn)缺陷的加強(qiáng)筋與圓周交接部位,上下面各設(shè)置一塊厚度為60mm的冷鐵,形狀和鑄件輪廓相應(yīng),材質(zhì)和鑄件一致。方案Ⅱ如圖5所示。將方案Ⅱ三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件,導(dǎo)入ViewCast軟件,對其進(jìn)行網(wǎng)格剖分和參數(shù)設(shè)置,對鑄件的凝固過程再次進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果見圖6?？梢钥闯?凝固時間t=610s時,加冷鐵部位、澆注系統(tǒng)、輪轂圓周邊沿?zé)崃可⑹Э?首先開始凝固,見圖6(a);t=920s時,加冷鐵部位的凝固速率明顯要比未加冷鐵部位快,先于鑄件其他部位凝固,方案Ⅰ中出現(xiàn)的孤立液相區(qū)已經(jīng)消失,此處的縮孔、縮松缺陷可得以消除,此時,直澆道、橫澆道已經(jīng)完全凝固,見圖6(b);t=1650s時,鑄件中出現(xiàn)4部分液相區(qū),凝固過程繼續(xù)向厚大部位擴(kuò)展,5個冒口持續(xù)對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮,見圖6(c);t=1889s時,與兩內(nèi)澆道對應(yīng)的兩腰形冒口出現(xiàn)補(bǔ)縮瓶頸,即將產(chǎn)生四部分微小孤立液相區(qū),這些區(qū)域凝固后期會出現(xiàn)微量縮孔、縮松缺陷,見圖6(d);t=3620s時,輪轂圓周液相區(qū)延伸至4個冒口根部,4個腰形冒口即將結(jié)束對鑄件的補(bǔ)縮,見圖6(e);t=5608s時,鑄件中只剩余一部分液態(tài)金屬,由頂部大冒口負(fù)責(zé)補(bǔ)縮,大冒口內(nèi)有充分的金屬液,足以圓滿補(bǔ)縮鑄件中間部位液態(tài)金屬的凝固收縮,見圖6(f)。方案Ⅱ模擬的缺陷預(yù)測如圖7所示,鑄件內(nèi)出現(xiàn)孤立液相區(qū)的部位存在微量縮孔、縮松缺陷,主要是由于冷鐵尺寸不足,造成激冷面積過小,導(dǎo)致冒口的有效補(bǔ)縮距離不夠。2.3大冒口加固方案模擬根據(jù)方案Ⅱ模擬結(jié)果可知,只需增加冷鐵的激冷面積,便可使方案Ⅱ中出現(xiàn)的微小孤立液相區(qū)轉(zhuǎn)移到冒口中。從圖7中可以明顯地看到中間圓柱形大冒口高度設(shè)置的偏高,造成生產(chǎn)過程中金屬液的浪費(fèi),為進(jìn)一步提高工藝出品率,還需對中間大冒口進(jìn)行改進(jìn)。對方案Ⅱ進(jìn)行如下工藝改進(jìn):(1)適當(dāng)延長冷鐵尺寸,厚度不變;(2)將柱形大冒口高度改為390mm。方案Ⅲ如圖8所示。對方案Ⅲ進(jìn)行凝固模擬,其結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?t=1026s時,由于冷鐵的激冷作用,放冷鐵部位已經(jīng)凝固,方案Ⅰ、方案Ⅱ中出現(xiàn)的孤立液相區(qū)已經(jīng)消失,見圖9(a);t=1468s時,凝固向厚大部位延伸,沒有出現(xiàn)補(bǔ)縮瓶頸,見圖9(b);t=5031s時,4個腰形冒口圓滿完成對鑄件的補(bǔ)縮,見圖9(c);t=14000s時,鑄件已經(jīng)全部凝固,孤立液相區(qū)出現(xiàn)在大冒口中,缺陷將出現(xiàn)在冒口中,見圖9(d)。方案Ⅲ模擬的缺陷預(yù)測如圖10所示,鑄件內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松缺陷,縮孔、縮松已經(jīng)成功轉(zhuǎn)移到了冒口和澆注系統(tǒng)中。冒口內(nèi)金屬的溫度始終處于鑄件的最高狀態(tài),使得整個鑄件形成一個正的溫度梯度,冒口是最后凝固部位,實(shí)現(xiàn)了從鑄件到冒口的順序凝固,保證了鑄件質(zhì)量。2.4優(yōu)質(zhì)鑄件的制備一年來,按照新工藝鑄造生產(chǎn)了兩百多個鑄鋼輪轂,對生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行了超聲檢測,沒有發(fā)現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷,得到了優(yōu)質(zhì)鑄件。實(shí)際生產(chǎn)的鑄件如圖11所示。3鑄造工藝分析結(jié)果(1)方案Ⅰ中采用4個腰形冒口和1個柱形冒口進(jìn)行補(bǔ)縮,柱形冒口實(shí)現(xiàn)了對鑄件中部的圓滿補(bǔ)縮,由于腰形冒口的補(bǔ)縮通道過早阻斷,產(chǎn)生了孤立液相區(qū),導(dǎo)致縮孔、縮松缺陷。(2)方案Ⅱ?qū)⒊霈F(xiàn)縮孔、縮松的區(qū)域加上相應(yīng)尺寸的冷鐵,鑄件內(nèi)大面積