钩体工艺改进方案的计算机模拟技术

钩体工艺改进方案的计算机模拟技术

钩体和浮车又名钩体大钩，是原油勘探和维修过程中引入的主炮设备、原油泵和各种工具的重要改进设备。钩体（也称钩体）是其重要的部件。钩体作业环境恶劣,承载力大,安全性要求高,对铸件质量特别是内部质量有着很高的要求。由于其形状结构复杂,重量大,曲面多,因而生产出高质量的铸件比较困难。本文借助计算机模拟软件华铸CAE/InterCast集成系统,结合多年生产实践经验,对某种钩体进行工艺改进,有效解决了原工艺中铸件缩孔、夹渣问题,提高了铸件质量和合格率。1表面磁粉探伤我公司生产的钩体属于石油装备零件(图1),客户对铸件品质要求非常高,要求按APISpec8C(钻井和采油提升设备规范)规范进行铸件内部超声波探伤加表面磁粉探伤,质量都要达到PSL1级要求,这给工艺技术提出了更高的要求,也给生产制造增加了更多的困难。钩体材质为ZG35CrMo,铸件线收缩率取2.0%,铸件毛重1150kg,主要壁厚50~130mm,截面厚度变化大,不利于液态补缩。造型材料为树脂自硬砂,电弧炉熔炼,漏包浇注,低温快浇,凝固方式采用顺序凝固。2当前工艺的设计和问题2.1部分缺陷缺陷图2为钩体原铸造工艺方案,冒口位于主钩顶部,造型时平做,浇注时立浇。该方案的优点是能确切地保证钩体最大受力部位主钩部分的内部质量,但是,多年生产实践表明,另一主要受力部位副钩的内部质量和外部质量都容易出问题。如图3所示,缩孔、缩松、夹渣是副钩部位最常出现的几类问题。2.2副钩补缩距离优化从原工艺方案来看,冒口放在主钩顶部,距离副钩位置较远,约为主体壁厚的6倍,根据冒口补缩距离与铸件壁厚的关系,按板状件,查表可得补缩距离约为主体壁厚的4.5倍,冒口的补缩距离明显不够,尽管副钩上设置有外冷铁,但是,由于副钩处壁厚较大,外冷铁的作用并不太明显,以致造成铸件副钩出现缩孔缩松缺陷。另外,从原工艺方案和铸件结构上看,浇注过程中,钢液流到副钩部位时,上面是型砂,钢液携带的钢渣及夹杂物由于没有通道而无法上浮到冒口中去,只能附着在副钩处造成夹渣缺陷。3改进的工艺方案3.1铸造工艺设计及结果为了消除副钩处的缩孔缩松、夹渣等缺陷,对钩体进行工艺改进。Ansys有限元受力分析表明,钩体受力点主要集中在主钩根部和副钩上,因此,这两个部位更是要求铸态组织致密,浇冒口应尽量避开这两个部位,以免晶粒粗大。改进方案一如图4所示。主钩中间对称水平分型,将冒口设置在翼板大平面上,浇注系统为两道底注式,浇冒口均避开了铸件关键位置。该方案有三个好处:一是翼板平面较大,能够放得下冒口,容易切割清理;二是冒口距离主钩、副钩两个关键位置距离合适,既没有压到主钩、副钩上容易造成晶粒粗大,又能保证补缩距离实现有效补缩;三是冒口靠近铸件主要热节部位,其他部分只需设置少量冷铁就能实现铸件从两端向中间冒口的顺序凝固。铸件两个关键位置均视作近似接头,主钩热节处做热节圆,半径r=7.1cm,得M=7.1cm,副钩热节处做热节圆,半径r=7.0cm,得M=7.0cm。根据以往经验,结合保温冒口实际使用情况,关键件取较大的安全系数1.1,得冒口模数M≥7.7cm,选用腰圆型保温冒口350mm×550mm×500mm,模数8.07cm。用计算机模拟软件华铸CAE/InterCast验证设计效果,通过模拟显示,铸件没有明显缩孔,但是在主钩与翼板结合部,还有副钩与翼板结合部都有明显的缩松。该方案浇冒口系统有利于渣滓上浮,可以解决副钩夹渣问题,但关键部位主钩和副钩的缩松问题没有很好解决。3.2冒口位置主钩和副钩方向移动改进方案二如图5所示,其他不变,将冒口位置分别往翼板里侧和主钩方向移动,让冒口靠近主钩和副钩位置同时又能兼顾二者补缩。通过模拟显示,主钩与翼板结合部缺陷消失,而副钩与翼板结合部缩松缺陷仍然存在,只是缩松体积稍微小了一些。3.3冒口补贴方案为彻底解决副钩这一关键位置的缩松缺陷,再次对工艺方案进行改进。经分析,对于副钩,虽然冒口模数和补缩距离都已足够,但是,由于副钩与翼板结合部的壁厚略微小于冒口和副钩位置壁厚,导致从冒口到副钩的壁厚没有形成合理的梯度,也就是补缩通道不是很理想。为此,在冒口往主钩和副钩的方向增加冒口补贴,长度方向尺寸以覆盖到模拟中出现缩松的区域为准,高度从冒口台往主、副钩方向倾斜平滑过渡,以改善补缩通道,如图6、图7所示。另外,上下翼板之间连接壁厚略小于翼板壁厚,两翼板与“薄壁”形成两个上下分离的“T”形热节,为此,经与零件设计者沟通,将两翼板连接壁厚增加20mm(即翼板连接圆弧外移20mm),上下补缩通道显著改善,同时,造型时下翼板及主钩处敷铬矿砂,下型副钩位置设置外冷铁,以增加顺序凝固倾向。通过模拟显示,如图8,主钩和副钩位置缺陷完全消失,除了不影响铸件质量的浇注系统有缩松以外,铸件上缺陷只出现在螺纹区的一个局部热节上,该处远离冒口,冒口补缩不到,壁厚较大,用外冷铁效果不理想。经仔细研究,发现该处需要钻孔,因此可以考虑使用内冷铁,即便内冷铁不能很好融合,也能在后续的加工工序去除,而该处的缩孔缩松问题则可以彻底解决。方案三钢液总重量约1850kg,工艺出品率62.2%,属正常范围。4反复探伤,确定采用改进后的第三种工艺方案共生产了5批次15件钩体,铸件清理打磨后进行超声波探伤加磁粉探伤,粗加工后再次进行超声波探伤加磁粉探伤,调质后进行第三次超声波探伤,铸件内部均没有发现缩松和粗晶,外部也没有夹渣、裂纹等表面缺陷,探伤合格。在如此严格