基于magma的主轴承盖工艺方案优化

基于magma的主轴承盖工艺方案优化

大马力主承包是一家公司的外贸订单。我们的工厂正在生产毛主席。铸造材料为ptd450，铁素体基。化学成分如表1所示。主轴承盖由于受到动态应力影响较大,因而国外对该铸件内在质量要求较严格,不允许有缩松缺陷,尤其是应力相对较大的中间部分。该主轴承盖属于板状零件,壁厚比较均匀,尺寸较大,铸造容易产生缩松缺陷,铸件主要尺寸为:267mm×156mm,厚度53mm。其性能要求:抗拉强度≥450MPa,屈服强度≥280MPa,伸长率≥10%,硬度HB140~210,铸件本体取样检测。1工艺方案的确定该铸件外形相对简单,可以用DISA线进行生产,该生产线采用湿型砂垂直压射造型,具有精度高、铸件表面质量好、错型值小,效率高的特点。DISA线的这些特点比较适合轴承盖类表面及内部质量要求高的铸件。结合以前的生产经验,轴承盖主要是保证内部致密,轴瓦配合的圆弧加工面无细微砂眼、渣孔、气孔等缺陷,每型只能布置一件,通过设计多种工艺方案进行优选、优化,确定最终的方案。在进行工艺设计时,结合现有的小轴承盖的生产经验,设计了4种方案进行优化,如图1所示。方案1见图1a,模仿现有的轿车轴承盖的一型多件的工艺方案,从任一小端面注入铁液,通过一个热冒口补缩。方案2见图1b,将铸件U型放置,通过两个热冒口补缩,该方案最大的问题是如果铁液中有二次氧化渣则全部附着在圆弧形的轴瓦配合面上,因此对铁液的纯净度要求比较高。方案3见图1c,在方案1的基础上增加了底冒口,两个侧冒口补缩,根据冒口互补的原理,下面的冒口将会影响上面冒口的补缩效果。方案4见图1d,两个顶冒口进行补缩,铸件反转为n字型布置。该方案有两个优点,其一由于铁液浮力的作用,消除了轴瓦配合面的砂眼、渣孔存在的风险,其二是两个独立的顶热冒口同时补缩铸件,铁液补缩供给能力增强。所有方案的浇注系统的撇渣和阻流方案一致。2数值模拟和分析优化2.1压头充型模拟结果分别对1、2、4三种方案的充型过程温度场进行比较,对方案1进行分析后认为,铸件最后凝固部位在中间位置,方案3在增加了一个冒口的情况下,补缩距离长以及底部冒口的压头高度比中间部位低,没有优势,因此对方案3没有进行模拟。对方案1的模拟发现,在充型过程中有回卷的现象,容易产生气孔和二次渣孔缺陷,而方案2在充型时液流呈分散的珠状流入,同样也容易产生氧化夹渣缺陷,另外,该方案在直浇道也发生了卷气。方案4的充型过程平稳,但在液流中间交汇处容易造成卷气,而中间并没有布置排气的通道。充型过程见图2-图4。其中1、2方案容易在轴瓦配合圆弧面处形成有害夹渣物。2.2缩孔、缩松缺陷观察三种方案的凝固过程,见图5-图7,三种方案(方案1、2、4)在凝固过程中都较早出现了孤立液相区,但又有所区别,方案1、2的孤立液相区在凝固过程中一直以一个整体出现,这样不可避免会出现缩孔、缩松缺陷,由软件的补缩判据也可以支撑这个观点,见图8。而方案4在凝固过程中形成了两个小的孤立液相区,形成缺陷的几率和缺陷的大小就会小很多,另外,由于弧形区域是与轴承配合的部位,这个部位要求更高,故将浇口放在其背面,可以减小砂眼、渣眼等缺陷发生。利用软件的模数判据对三种方案进行分析,见图9,可以得出以下结论,三个方案的冒口模数均低于铸件本体的模数,即冒口设计偏小,因此不可能由冒口完成对铸件的完全补缩,但是因为铸件本体较大,受挤压线造型室高度尺寸以及吃砂量的影响,在这三种方案基础上将冒口加大将会引起砂型掉砂、涨箱等其他铸造缺陷。2.3铸造工艺的改进综合前面三种方案模拟结果的分析,需要考虑排除在浇注过程中液流交汇部位易发生的卷气,避免形成卷气、二次氧化渣孔缺陷,同时要加强铸件补缩,确保铸件内部致密,在相对比较合理的方案4的基础上,中间增加了一个冒口,它可以完全解决憋气现象,又能起到很好的补缩作用,形成方案5,见图10。对方案5进行模拟后,观察热节判据,发现中间冒口的热节部位在大冒口下方,铸件本体也有一部分,见图11;而利用模数判据进行判断,冒口的模数2.0cm,而本体的模数只有1.7~1.9cm,其中模数1.9cm的区域在冒口的正下方,冒口正好能够补缩到,见图12。利用软件的缩松判据进行观察,发现在冒口的正下方还存在着缩松缺陷,见图13。分析主要是冒口颈过大,导致冒口颈下部一直处于过热状态,因此可以通过调整冒口颈尺寸和形状,使其顺序凝固或者均衡凝固来消除冒口下方的缩松倾向。当然该方案虽然可以实现铸件内部致密,轴瓦配合面砂眼、渣孔缺陷的几率比较低,但是由于采用多冒口补缩,导致铸造工艺出品率很低,只有不到45%。因此在第5个方案的基础上,又一次进行了改进,形成最终方案6。方案6是去掉两侧的冒口,只保留中间冒口,将冒口加大的同时调整冒口颈的大小,为避免取消两边冒口对铸件致密度的影响,在两侧增加两个砂芯,为保证顺序凝固。工艺布置见图14。通过冒口和冒口颈大小、形状的调整,同时辅以冒口远端冷却片的应用,经MAGMA模拟分析显示(图15-图18),观察固液相收缩图、系统温度场的变化图、Niyama微观缩松判据图,可以判断温度场变化符合顺序凝固的理论,铸件、冒口系统的液相收缩完全进入到冒口,铸件内部致密无缩松缺陷。因此将方案6作为最终的工艺方案进行生产。3铸件力学性能及组织力根据模拟结果,进行了模具的设计及加工,形成了一套砂芯模具和模板,见图19。通过调试和批量生产,并对生产的铸件进行解剖以及X射线无损探伤,检测结果如表2所示,完全满足铸件的力学性能及组织要求,铸件没有出现任何缩孔、缩松缺陷,见图20、图21。铸件通过批量加工,轴瓦配合面没有出现任何砂眼、渣孔缺陷,一次调试成功,没有做其他工艺更改,投入批量生产。4铸造工艺方案模拟与检测利用CAD建模,构建了外部结构相对简单,内部质量要求较高的大马力主轴承盖三维仿真模型,并实现了多个三维工艺方案的详细设计,通过MAGMA软件对多个方案模拟优选,利用niyama等判据分析,最终获得了最优铸造工艺方案,经过在线生产实