下降导槽铸造工艺设计与数值模拟

下降导槽铸造工艺设计与数值模拟

减少导槽铸铁主要用于大型清滤机和挖掘机构。结构相对复杂，因此通常采用单件小批生产。图1为下降导槽铸件图,轮廓尺寸为795mm×295mm×355mm,铸件质量为90kg,材质为ZG310-570,属于中小型铸钢件。1陷岸根据铸件的应用环境,要求铸件无缩孔、缩松缺陷,表面无夹渣。实际生产中由于铸件结构复杂,壁厚分布不均匀,容易产生较多的缩孔、缩松缺陷,本文首先针对原始工艺方案进行数值模拟。1.1浇注系统设计该件一端有圆盘凸台,另一端有燕尾槽,结合生产实际及设计要求,下降导槽的孔和表面浅槽都不铸造出来,属于机加工成形。设计中采用自硬性水玻璃砂造型,浇注系统采用半封闭式,通过计算得出浇注系统各组元横截面积,ΣF直=30.58cm2,ΣF横=22.24cm2,ΣF内=27.8cm2。取明冒口的形状为圆柱形。在铸件的左边放置的冒口直径为75mm,高为150mm;右边放置的冒口直径为85mm,高度为160mm。同时在下面圆形凸台的中心位置加了直径为60mm,高15mm的冷铁,如图2所示。1.2u2004软件中的参数设置首先使用三维造型软件对铸造工艺进行三维实体造型,输出STL文件后,再导入ViewCast模拟软件。该软件可以较准确模拟铸造充型、凝固、缺陷预测及组织演变等过程。首先对导入的文件进行参数设置,铸件成分及热物性参数的选择,浇注温度为1580℃,铸钢牌号ZG310-570,砂型初始温度25℃。网格的划分选择均匀网格剖分,考虑到计算速度及模拟精度,网格单元100万。1.3初始方案t=133s图3为初始工艺模拟结果,t=113s时,铸型内液态金属液的温度场发生了变化,表现为最外层金属液的温度最高,而内部的金属液温度场开始向凝固态的温度场转变,如图3(a)所示;t=143s时,整个铸件的最外层出现了薄薄的1层凝固区,温度场较113s时无太大变化,如图3(b)所示;t=253s时,侧圆台中部由于冷铁的作用,出现圆形的凝固区,外层的凝固范围继续向内部扩展,如图3(c)所示;t=413s时,底层基本凝固,但在圆台处还存有微量的金属液,横浇道和内浇道完全凝固,如图3(d)所示;t=513s时,铸件内存在两大一小的3块孤立的液相区,冒口上部大部分区域已经凝固,冒口不能对铸件有效地补缩,中部的1小块孤立液相区在凝固结束后会形成缺陷,如图3(e)所示;t=713s时,直浇道和冒口完全凝固,铸件中还存在有两小块孤立液相区,凝固结束后也会产生缺陷,如图3(f)所示。图4是原始方案铸件完全凝固后的缺陷分布图。从图中可以看出,铸件共有6处影响铸件性能的缺陷。缺陷1在圆台与分型面的交界处,小热节影响补缩效果不好;缺陷2、4是由于最后凝固时没有金属液补缩产生的;缺陷3由于圆台中间冷铁激冷效果不理想而造成的;缺陷5是冒口补缩效果不好,补缩通道过早中断引起的。缺陷6最后凝固,缺少补缩通道。2提高和优化工艺2.1冒口补缩方案2对于原始方案模拟出的缺陷,考虑到实际生产中熔炼金属液的成本和工艺特点,对原始方案中出现缺陷的地方放置小型冷铁,用冷铁的激冷功能消除缺陷;将冒口直径增加10mm,冒口高度保持不变。从图5(a)中看出,从凝固开始,加冷铁部位先冷却。由图5(b)显示其冷却速度比原始方案凝固更快。冷铁起到了效果,达到激冷效果。图5(c)中,下面圆台和最后凝固部位,补缩通道已被割断,达不到补缩效果,会导致缺陷出现,冷铁的效果没达到预期消除缺陷的目的。图5(e)、(f)中,两个明冒口加大以后,补缩效果较好,金属液在冒口内最后凝固,补缩通道一直存在。相比原始方案,冷却更快,冒口补缩效果更好。被隔离的区域有所减少。首先末端冷铁部位出现凝固,然后模数大的地方依次凝固,冒口处模数最大的地方最后凝固,凝固顺序符合设计思想。结合改进方案1的缺陷预测图6,我们发现缺陷分布情况未得到很好的改善,没有消除缩松、缩孔缺陷。相对于原始方案冒口补缩效果已经相当好了。冒口下面的缺陷在加冷铁后很好凝固,没有缺陷,达到了预期的效果。在凸出块处加冷铁后,其与平板交接出缺陷消失了,但缺陷向凸出块顶部移动,没有达到消除缺陷的目的。下面圆台处加放冷铁后,不仅没有消除原来的缺陷,而且出现了缺陷的转移,没达到预期的效果。下表面内侧加强筋的缺陷相对原始方案有所减少,但仍然没有消除。根据改进方案1的模拟结果发现:相对于原始方案,冒口加大,补缩效果很好,冒口下面没有缺陷;在加放冷铁和加大冒口尺寸的方法下,原始方案中的部分缺陷在优化方案1中消除了,其余缺陷部分减少,但没有达到明显效果,有些缺陷还出现了转移。2.2对冒口尺寸进行修改改进方案1中使用的冷铁不能完全消除缺陷,因此,改进方案2除在凸出块下部与铸件基体相连接处放置冷铁进行消除热节外,其他缺陷处不再放置冷铁,增加冒口虽然补缩了铸件,消除了缺陷,但考虑到工艺出品率,冒口应在不浪费金属液的前提下,对铸件进行最大限度的补缩,故采用保温冒口一方面减小冒口尺寸。另一方面使冒口内的金属液保持较高的温度场,形成1个正的温度梯度,对原冒口尺寸进行修改,左侧明冒口的直径改为100mm,高度为120mm,右侧冒口的直径改为95mm,高度为110mm,在凸出块顶部安放准50mm×80mm的冒口,在左侧下部的圆台中心位置加直径为50mm的暗冒口。改进方案2的工艺如图7所示。改进方案2凝固模拟结果如图8所示,由于安装了保温套,铸件凝固过程发生了变化,在铸件的凝固过程中,保温套内的金属液始终处在较高的温度范围内,图8(a)显示铸件内存在较高的温度场,底部出现规则的凝固区;图8(b)显示铸件底部凝固平稳,底部侧冒口成功对底部进行补缩,凸出块下部放置冷铁的位置出现凝固区;图8(c)显示冷铁激冷的区域形成方形的凝固区,冒口对铸件发挥着补缩作用,铸件呈现出由下向上的顺序凝固;这样有利于保证铸件下部的质量,当凝固到349s时,铸件上部和下部的金属液已断开,在保温套的作用下,铸件内形成正的温度梯度,保温冒口内的金属液继续发挥补缩作用,如图8(d)所示。图9为改进方案2的缺陷预测图,从图中可以清晰地看出,铸件内所有的缺陷都已成功转移至冒口处,消除了改进方案1中存在的缺陷,保温冒口、暗冒口和侧冒口起到了很好的补缩效果。3铸造工艺及保温本文通过数值模拟方式对原始工艺方案进行改进优化,消除了原始工艺方案中产生的缩孔、缩松缺陷。模拟结果显示,采用保温冒口一方面减小了普通冒口的尺寸,冒口尺寸的降低在一定程度上减少熔炼的金属液体积,进而节约了生产成本;另一方面