华铸cae工艺在铁路大型养路机械中的应用

华铸cae工艺在铁路大型养路机械中的应用

铸造工艺设计是决定产品质量的重要因素。根据经验设计的工艺通常需要反复试验复杂的铸造工艺和新产品，这不仅是一个长期的问题，而且是一个巨大的浪费。为了获得优质铸件,公司从2003年采用“华铸CAE”铸造工艺分析软件,充分感受到计算机数值模拟技术带来的效益;铸造工艺已由过去单一凭经验的定性设计转变为科学化、定量化设计,该软件在多项新产品开发及国产化研制项目中发挥了巨大作用。铁路大型养路机械作业工况条件恶劣,因此产品设计上大多选择铸钢件,结构以箱体薄壁类、弯板槽体类为主,并具有小批量、多品种、交货时间紧的特点。本文以大型养路机械中车轴齿轮箱下箱体及滑道为例,说明“华铸CAE”软件在工艺优化方面的应用效果。1下铸造的结构特点车轴齿轮箱是某技术引进机型中走行系统的重要组成之一,由上下箱体、齿轮、轴和轴承等组成。下箱体毛重309kg,材质为ZG230-450,轮廓尺寸为1150mm×866mm×268mm,壁厚最大60mm、最小13mm,属于宽体多热节薄壁复杂件(见图1),其使用中承受车轴载荷,所以技术要求严格,铸件不允许有裂纹及气缩孔缺陷。1.1模拟结果及工艺措施在进行工艺设计以前,先对箱体进行无冒口的纯凝固传热计算,该计算是基于“瞬间充型,初温均布”假设,只考虑凝固过程,没有考虑充型的影响。此方法可以快速地根据缩孔、缩松的分布位置对可能出现的缺陷进行预测、分析与控制。模拟结果显示:箱体合箱面、轴孔及厚大凸台均有不同程度的缩孔,底部圆角及各T型热节处则有断断续续的缩松区,见图2。根据模拟结果及呋喃树脂砂生产经验,此箱体极易产生裂纹、气孔、缩孔、夹渣、浇不足等缺陷,在初始工艺设计时应考虑采取以下措施:(1)为确保轴孔、合箱面等关键部位组织致密,合箱面上方及轴孔上端或外侧放顶冒口补缩;(2)在上、下箱体各凸台底部、下箱体吊装板侧面放置外冷铁,各合箱螺纹孔台放置内冷铁,通过加强局部厚壁处的激冷,消除凸台处的缩孔;(3)设置半环形横浇道,钢液由多个内浇道引入,可提高充型能力,防止浇不足缺陷,由于是转包浇注,浇注系统采用半封闭式设计,有利于挡渣。图3为根据以上措施确定的工艺图。1.2耦合参数的模拟及后置处理初始工艺模拟分三个模块:前置处理、计算分析、后置处理。前置处理:赋予STL文件材质属性及优先级别选择,设置网格剖分参数,进行网格剖分。计算分析:浇注温度选1590℃,选择“重力补缩”功能,进行耦凝计算,即基于耦合的凝固计算,其初始条件是来自充型耦合计算的最后温度场,而非“瞬间充型,初温均布”。该计算不仅考虑凝固过程,而且考虑充型的影响,能够有效地校核浇注与补缩系统的合理性。后置处理:进入后置处理模块,打开数值画面菜单中的色温填充及定量缩孔,通过可视化鼠标拖动旋转,查看色温填充及缩孔分布情况(见图4)。从初始工艺模拟结果来看,各轴孔、安装板均得到有效的补缩,但在内浇道一侧的合箱面及凸台根部仍有缩孔缩松,说明各拐角及T型热节处仍存在孤立液相。这些单一的孤立液相最后没有来自冒口的高温钢液加以补充,仅靠冷铁是不能从根本上消除缩孔的。1.3内冷铁的保温冒口模拟对初始方案中的补缩系统作适当调整,取消底部凸台处的外冷铁及合箱螺孔凸台的内冷铁,在相应位置处设置带易割片的保温冒口,再进行模拟(见图5)。模拟结果显示,合箱面及凸台处的孤立液相得以消除。由此确定此工艺为试制工艺,见图6。1.4加强型芯砂防缩裂法为达到预期效果,试制时除了合理的铸造工艺,还需制定如下质保措施做保障。(1)适当减少树脂的加入量,通过降低砂芯的强度,可减轻热裂倾向;在散热条件较差的各热节及圆角处敷铬铁矿砂,可防止缩裂纹。(2)减少树脂的加入量,多设排气孔,芯骨上缠通气绳,加强型芯砂的排气,可减少发气量、防止气孔缺陷。(3)直浇道下方放置加厚过滤网,加强浇道的挡渣能力防止夹渣缺陷。(4)涂料选不锈钢锆英粉涂料。(5)熔化时加强脱氧,采用合金化精炼方式,达到细化晶粒,减少微裂纹的效果。1.5缺陷的排除和处理采用上述工艺试制的下箱体充型良好,表面质量和尺寸精度均达到验收标准,经探伤及机加工验证,箱体的轴孔、合箱面、各凸台螺孔组织致密,无缩孔、裂纹缺陷,整个铸件无明显的宏观裂纹,磁粉探伤发现的裂纹几何尺寸都不大,且不在重要受力部位,只需进行常规的焊补处理即可。试制中存在的问题:(1)粗加工时在吊装板下部发现密集气孔;(2)超声波探伤发现,局部采用砂型暗冒口补缩的位置内部存在零星的气缩孔。对试制中的问题,采取了如下措施:(1)吊装板内的气孔主要由侧面的外冷铁引起,取消此冷铁,在吊装板侧面设置一个侧冒口,既加强补缩,又有利于气孔夹渣的溢出。(2)暗冒口在实际运用中补缩效果不稳定,改为用明冒口或保温冒口。经模拟,以上改进措施有效,并在批量生产中得到实际验证(见图7)。2板结构槽体型滑道是某个自主开发机型挖掘机构的重要承载件,材质设计为ZG270-500,毛重380kg,轮廓尺寸为1855mm×638mm×262mm,壁厚为28~40mm,属于板结构槽体类铸件(见图8)。2.1分型方案确定先对平铸和立铸两种分型方案进行无冒口的纯凝固计算(图9),以此选出合理的方案。模拟结果显示:平铸方案铸件的缩孔主要集中在上平面,这样有利于放置冒口补缩,而立铸的缩孔分布在侧面不同高度的位置,只能采用侧冒口补缩,造型时会非常麻烦,且立铸需要较高尺寸的砂箱,砂铁比比平铸的要高出近三分之一,因此分型方案选择平铸。2.2方案1的安装2.2.1保温冒口的补缩方案根据平铸方案缩孔的分布位置,添加适当数量不同规格的冒口,除了顶部放明冒口外,其余全为保温冒口,这样既有利于排气又节约钢液。对此补缩方案进行凝固过程模拟计算(图10)。从模拟结果来看,各缩孔区基本获得有效的补缩。2.2.2校核系统的合理性分析由于铸件长达1855mm,横浇道沿长度方向设置,并设4个内浇道。进行充型凝固过程模拟,选择耦凝计算方式,校核浇注系统的合理性,模拟结果见图11。模拟显示,铸件上平面在纯凝固计算时只需一个冒口就能补缩,采用耦凝计算,上平面则出现大面积缩松,说明冒口数量还需增加。2.3补缩柱替代方案综合考虑铸件结构及以上模拟结果,考虑到两耳板圆台距离,及变形因素,决定采用补缩柱替代原方案中的保温冒口,并在上平面增加一个同尺寸的明冒口。模拟后,确定图12为试制工艺。2.4合金化矿砂、加强氮气生产试制时,选锆英粉涂料,局部拐角处敷铬铁矿砂,加强排气,进行合金化精炼。生产出的铸件表面质量和尺寸精度均符合要求,经探伤及机加工验证,产品质量合格,满足设计要求。3解决了铸件质量问题应用“华铸CAE