计算机模拟在进料口铸造工艺设计上的应用.doc

铸钢件进料口的铸造工艺模拟及改进郑喜平，米国发，南红艳（河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454003）摘要：运用传统的铸造工艺设计方法对铸钢件进料口的铸造工艺进行了初步设计，利用V-Cast模拟软件，对进料口初始工艺的凝固过程进行了数值模拟，分析了初始工艺产生缺陷的部位和原因。最终决定采用消失模铸造来生产铸件，并取得了良好的结果。关键词：V-Cast软件；铸造工艺；数值模拟；消失模铸造Foundry Technique Simulation and Optimization of casting Steel InletZHENG Xiping，MI Guofa，NAN Hongyan（College of Material Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003,China）Abstract：The original foundry technique of casting inlet was designed by conventional design methodThe Progress of solidification of original foundry technique of inlet were simulated by the V-Cast softwareThe location and the cause of the shrinkage defects of original technology were analyzedFinally, using Expendable Pattern Casting to produce castings and achieved good results at the same time. Key words：V-Cast software；foundry technique；numerical simulation；expendable pattern casting进料口的三维实体见图1，根据该零件的结构特点，对该铸件进行铸造工艺分析可知：该零件属于中型铸钢件，其结构相对比较复杂，壁厚分布比较均匀。 (a) (b)图1 铸件三维实体模型Fig.1 3D Solid mass model of casting作者简介：郑喜平（1978-），男，河南安阳人，工程师，硕士研究生，主要从事凝固技术与新材料的研究；E-mail:. 电话：155391926791 初始工艺方案1.1 分型面和浇注位置的设计确定进料口铸造方法为砂型铸造，选用水玻璃自硬砂。根据浇注位置的确定原则及铸件的结构，所选用的浇注位置、分型面如图2所示。根据零件尺寸轮廓大小，确定为三箱造型。 图2 浇注位置和分型面Fig.2 Pouring position and parting surface 1.2 浇注系统的设计考虑到铸件的尺寸的大小和生产批量，结合铸件结构及设计原则，采用底注式半开放浇注系统，转包浇注。浇注系统截面比为F內：F橫：F直=1.0：(0.8-0.9)：(1.1-1.2)，根据比例计算F內为28.3cm2，F橫为25.5cm2，F直为34cm2，浇道从铸件对称的两个方向同时引入1,2。1.3 冒口的设计运用模数法计算冒口，求得铸件进料口体积V=36.4dm3，表面积S=3.02m2，铸件模数Mc=V/S=1.2cm，查参考资料，冒口的形状如图3，共有4个，在铸件顶端对称分布。图3 冒口的尺寸和形状Fig.3 Riser size and shape 1.4 冒口的设计在铸钢件进料口的两肋上与底面上放置与其尺寸接近的冷铁，造成人为末端区，其厚度20mm,其形状如图4，放置位置如图5。 (a) (b)图4 冷铁的形状Fig.4 The shape of iron chill (a) (b)图5 冷铁的放置位置Fig .5 The position of iron chill2 初始方案的模拟2.1 相关参数的设定用Pro/E软件绘出铸件的实体模型，转化为STL格式文件，导入V-Cast模拟软件进行实体网格划分，网格数2000000，材料牌号为ZGSCMnCr4B，水玻璃砂造型，浇注温度1580，液相临界温度：1520，相临界温度：1470，铸型和冷铁初始温度均为253。2.2 凝固过程模拟结果及分析凝固过程各时间阶段凝固情况如图6所示，透明表示已经完全凝固。由凝固温度场可以看出，当凝固时间t=120s时，在型腔内的边缘部分有一部分厚度的钢液已经凝固，见图6(b)；t=200s时，壁厚相对较小的部分已经开始凝固，加冷铁的部分凝固的较快，见图6(c)；t=250s时，内浇道已经凝固，两侧加了冷铁的筋已完全凝固，见图6(d)；t=280s时，铸件大部分已经凝固，加了冷铁的底面已完全凝固，四个冒口的温度最高，可以铸件补缩，见图6(e)；t=300s时，除了在热节处和相对较厚的铸件上部的金属液还没凝固，部分补缩通道已完全封闭，可能会造成局部缩松，横浇道完全凝固，见图6(f)；t=800s时浇注系统和铸件已完全凝固，没有凝固的只有冒口，见图6(g)；t=1500s时，只有冒口内部存在孤立液相区，其余部分均已冷却，见图6(h)。 (a) t=40s (b) t=120s (c) t=200s (d) t=250s (e) t=280s (f) t=300s (g) t=800s (h) t=1500s图6 铸件凝固过程Fig.6 Progress of casting solidification由图7可以看出，冷铁、冒口都起了作用，首先冷铁部位先凝固，然后模数大的地方依次凝固，凝固顺序符合设计思想。从局部分析，仍然有缩松、缩孔缺陷，且大部分分布在壁上，说明钢液对壁的补缩依然不足，应进一步改进工艺。 图7 初始工艺缺陷分布 Fig.7 Distribution of shrinkage of original scheme3 铸造工艺优化及模拟3.1 消失模铸造工艺简介传统的铸造工艺铸出的进料口铸件产生的缺陷太多，不能满足性能要求。经过仔细分析和慎重选择，为了方便起模并达到理想的效果，决定采用消失模铸造工艺。工艺流程如图8，结合进料口铸件的特点，采用顶注式浇注系统。 图8 消失模铸造工艺流程Fig.8 The technique flowchart of the expendable pattern casting带有浇注系统的铸件实体图如图9，冒口是一个圆环柱，内圆的直径为500mm，外圆的直径为800mm，高为250mm。 图9 采用消失模铸造工艺的铸件三维实体模型 Fig.9 3D model of expendable pattern casting scheme3.2 预发泡处理用戊烷（C5H12）作为发泡剂来对泡沫塑料的珠粒进行预发泡，戊烷的沸点 36.07，凝固点-129.72，采用蒸汽式连续预发泡，内型采用铝合金造型，外型采用铸钢，可以永久使用。3.3 内外型的设计消失模铸造铸件的吃砂量为100mm，结合铸件和浇注系统的尺寸，外型尺寸为1400 mm900 mm850 mm（长宽高）。内型采用铝合金，为了能取出内芯，将内芯分为如图10所示的五部分4-6。 (a) 底面 (b) 顶面图10 内芯的区域划分Fig.10 The regional division of the inner type3.4 模型涂层和振动造型为了提高EPS模型的强度、刚度及表面抗型砂冲刷能力，防止加砂过程中模型及负压定型时模型的变形，确保铸件的尺寸精度；在实型铸造泡塑模型表面涂一层1.5mm厚度的专用涂料，连涂两遍，在4050下烘干，形成铸型内壳。将带有抽气室的砂箱放在振动台上，底部放入100mm厚度的底砂无粘结剂、不含水的干石英砂，振动紧实；在上面放置EPS模型组，并培砂固定；加入干砂，同时施以X、Y、Z三个方向振动，振动时间50s，砂箱表面用塑料薄膜密封，用真空泵将砂箱内抽成一定真空，靠大气压力与铸型内压力之差将砂粒“粘结”在一起，维持铸型浇注过程不崩散，称之为“负压”定型。3.5 浇注置换铸件浇注时，在液体金属的热作用下，EPS模型发生热解气化，产生大量气体，不断通过涂层型砂，向外排放，在铸型、模型及金属间隙内形成一定气压，液体金属不断地占据EPS模型位置，向前推进，发生液体金属与EPS模型的置换过程，置换的最终结果是形成铸件。浇注操作过程采用慢快慢的连续浇注，防止浇注过程断流，浇后铸型真空维持5min后停泵，浇注温度比砂型铸造的温度高40。3.6 凝固过程模拟结果及分析改进方案模拟结果如图11所示。当t=30s时，在型腔内金属液的边缘部分有一定厚度的钢液已经凝固，见图11(a)；t=40s时，壁厚相对较小或热节较小的的部分已经完全凝固，见图11(b)；t=60s时，情况与初始方案相似，加强筋已经完全凝固，底面开始凝固，见图11(c)；t=80s时，液态金属进一步凝固，底面已基本凝固，见图11(d)；t=120s时，底面完全凝固，补缩通道开始凝固，见图11(e)；t=180s时，薄壁部分进一步凝固，一些补缩通道已关闭，见图11(f)；t=340s时，壁厚和热节较大的部分仍然存在液体，其余的部位已基本凝固，浇注系统进一步凝固，补缩通道关闭，见图11(g)；t=3200s时，除冒口中心外，铸件完全凝固。虽然过程和初始方案相同，但效果更好，见图11(h)。 (a) t=30s (b) t=40s (c) t=60s (d) t=80s (e) t=120s (f) t=180s (g) t=340s (h) t=3200s图11 改进方案模拟结果Fig.11 The solidification simulation result of the optimized processing plan 相对于初始方案，铸件的缩孔和缩松缺陷明显减少，底面和顶面没有缺陷，壁是非加工面，为非重要面，壁上的细微缺陷不影响使用性能，最终决定采用此方案。图12 改进方案缩孔、缩松出现的位置Fig.12 The positions of the shrinkage defects of the optimized processing plan 5 结论（1）运用V-Cast模拟软件，通过对铸钢件进料口原始工艺进行凝固过程模拟，准确预测了产生的缩孔、缩松缺陷，为设计合理的铸造工艺提供了参考。（2）借助V-Cast软件，采用消失模铸造工艺进行浇注，在铸件两侧设计了半开放式浇注系统，采用了顶注式浇注系统；在铸件的顶面上放置了环形冒口，以对进料口壁进行补缩；设计了制造泡沫塑料消失模的内型和外型，设计了消失模铸造的工艺过程。最终模拟结果证明，消失模铸造工艺能得到满足使用要求的铸件。参考文献：1 李魁盛，王文清.铸造工艺学.