轮毂铸造工艺设计及工艺优化

轮毂铸造工艺设计及工艺优化

图1显示了942个鼓风带冷却机械轮廓的结构模型。材料为zg310-570，铸造轮廓尺寸为438mm438mm1470mm，质量为1694kg。传动轴架必需经过超声波探伤检查,要求组织致密,不允许出现缩孔、缩松、裂纹、气孔等铸造缺陷。以往在生产各类铸件时,主要凭借技术人员的经验进行铸造工艺设计,铸件质量很难得到保证,铸件缺陷难以有效控制,废品率很高。传统的生产方法建立在试错法的基础上,成本过高。已不能适应市场经济的发展。采用计算机技术进行工艺设计,可不经实际浇铸即可预测出铸件中可能出现的缺陷类型、大小及位置,进而优化工艺。本文首先采用传统的工艺设计方法确定铸钢轮毂的初始铸造工艺,再通过V-Cast软件对初始工艺进行模拟计算,根据计算结果提出改进措施,优化工艺,最终确定了合适工艺,消除了缺陷,得到了质量合格的铸件。1初步工艺设计1.1铸造工艺设计根据轮毂的结构特点和使用要求,确定出其浇注位置及分型面。浇注时轮毂水平放置,分型面选在中间最大截面处,金属液从铸件中间对称水平引入型腔,在铸件厚大部位上部设置冒口对铸件体收缩进行补足,以实现自下而上的顺序凝固,造型材料为树脂砂,浇注温度1580℃。工艺方案如图2所示。1.2校核钢液厚度设计铸钢的铸造性能较差,浇注系统结构应尽量简单,充型快而平稳。采用开放中注式浇注系统,从铸件中部分两路同时引入金属液体。采用漏包浇注,其保温性能好,流出的钢液夹杂物少,无需采用结构复杂的浇注系统撇渣。选用包孔的直径Φ50mm;采用一个直浇道,尺寸为Φ80mm;一个横浇道,尺寸为Φ60mm两个内浇道,尺寸为准60mm。1.3冒口尺寸设计根据模数法计算出铸件模数,确定在轮毂上部采用一个圆柱冒口,尺寸为Φ520mm×460mm,对中间铸件补缩。铸件圆周匀布4个200mm×400mm×300mm的腰形冒口,对圆周进行补缩。2硬过程中的计算机模拟2.1初始铸造方案对初始工艺(方案Ⅰ)进行凝固模拟,其结果如图3所示。图中深色部位表示金属液为液态或半固态,未完全凝固,浅色表示已完全凝固。可以看出,当凝固时间进行到t=600s时,轮毂圆周、底部和浇注系统开始凝固,见图3(a);当t=800s时,浇注系统、加强筋结束凝固,见图3(b);当t=2000s时,圆周大部分区域已凝固,4个腰形冒口对剩余液态金属进行补缩,中间大冒口对铸件中部进行补缩,凝固过程进一步进行,见图3(c);当t=2450s时,铸件内出现补缩瓶颈,补缩通道即将断开,见图3(d);当t=2600s时,铸件内出现4部分孤立液相区,见图3(e);当t=3500s时,圆周4部分液相区延伸到了4个腰形冒口跟部,见图3(f);当t=6800s时,4个腰形冒口结束凝固,中间大冒口继续对中间铸件部分进行补缩,见图3(g);当t=13800s时,中间大冒口即将结束凝固,见图3(h)。由于液态金属在凝固过程中存在体积收缩,孤立液相区的凝固收缩得不到额外金属液的补足,这些区域在凝固最后阶段必然会出现缩孔、缩松等铸造缺陷。初始工艺缩孔、缩松分布预测如图4所示。在方案Ⅰ中,冒口的数量和补缩能力都满足铸件凝固收缩要求,缺陷主要产生于4部分孤立液相区部位。由于缩孔、缩松面积过大,严重影响了铸件的使用性能,造成铸件报废,需进行工艺改进。2.2凝固方案确定根据方案Ⅰ模拟结果,认为缺陷是由于树枝状晶体形成骨架时,宏观补缩通道被堵塞,致使树枝状晶体分割包围的液体部分形成微观缩松,补缩通道不畅造成了缩孔、缩松缺陷。对方案Ⅰ工艺改进的要点是延长冒口的有效补缩距离,消除凝固过程中出现的4部分孤立液相区,工艺系统能使铸件按照要求的方式凝固。通过添加冷铁使方案Ⅰ工艺中出现的4部分孤立液相区部位先凝固,保证冒口的补缩通道通畅,使孤立液相区间部分延伸至冒口中,冒口最后凝固,将缺陷转移至冒口之中。在出现缺陷的加强筋与圆周交接部位,上下面各设置一块厚度为60mm的冷铁,形状和铸件轮廓相应,材质和铸件一致。方案Ⅱ如图5所示。将方案Ⅱ三维模型转化为STL格式文件,导入ViewCast软件,对其进行网格剖分和参数设置,对铸件的凝固过程再次进行数值模拟,结果见图6。可以看出,凝固时间t=610s时,加冷铁部位、浇注系统、轮毂圆周边沿热量散失快,首先开始凝固,见图6(a);t=920s时,加冷铁部位的凝固速率明显要比未加冷铁部位快,先于铸件其他部位凝固,方案Ⅰ中出现的孤立液相区已经消失,此处的缩孔、缩松缺陷可得以消除,此时,直浇道、横浇道已经完全凝固,见图6(b);t=1650s时,铸件中出现4部分液相区,凝固过程继续向厚大部位扩展,5个冒口持续对铸件进行补缩,见图6(c);t=1889s时,与两内浇道对应的两腰形冒口出现补缩瓶颈,即将产生四部分微小孤立液相区,这些区域凝固后期会出现微量缩孔、缩松缺陷,见图6(d);t=3620s时,轮毂圆周液相区延伸至4个冒口根部,4个腰形冒口即将结束对铸件的补缩,见图6(e);t=5608s时,铸件中只剩余一部分液态金属,由顶部大冒口负责补缩,大冒口内有充分的金属液,足以圆满补缩铸件中间部位液态金属的凝固收缩,见图6(f)。方案Ⅱ模拟的缺陷预测如图7所示,铸件内出现孤立液相区的部位存在微量缩孔、缩松缺陷,主要是由于冷铁尺寸不足,造成激冷面积过小,导致冒口的有效补缩距离不够。2.3大冒口加固方案模拟根据方案Ⅱ模拟结果可知,只需增加冷铁的激冷面积,便可使方案Ⅱ中出现的微小孤立液相区转移到冒口中。从图7中可以明显地看到中间圆柱形大冒口高度设置的偏高,造成生产过程中金属液的浪费,为进一步提高工艺出品率,还需对中间大冒口进行改进。对方案Ⅱ进行如下工艺改进:(1)适当延长冷铁尺寸,厚度不变;(2)将柱形大冒口高度改为390mm。方案Ⅲ如图8所示。对方案Ⅲ进行凝固模拟,其结果如图9所示。可以看出,t=1026s时,由于冷铁的激冷作用,放冷铁部位已经凝固,方案Ⅰ、方案Ⅱ中出现的孤立液相区已经消失,见图9(a);t=1468s时,凝固向厚大部位延伸,没有出现补缩瓶颈,见图9(b);t=5031s时,4个腰形冒口圆满完成对铸件的补缩,见图9(c);t=14000s时,铸件已经全部凝固,孤立液相区出现在大冒口中,缺陷将出现在冒口中,见图9(d)。方案Ⅲ模拟的缺陷预测如图10所示,铸件内部没有发现缩孔、缩松缺陷,缩孔、缩松已经成功转移到了冒口和浇注系统中。冒口内金属的温度始终处于铸件的最高状态,使得整个铸件形成一个正的温度梯度,冒口是最后凝固部位,实现了从铸件到冒口的顺序凝固,保证了铸件质量。2.4优质铸件的制备一年来,按照新工艺铸造生产了两百多个铸钢轮毂,对生产的铸件进行了超声检测,没有发现缩松、缩孔等缺陷,得到了优质铸件。实际生产的铸件如图11所示。3铸造工艺分析结果(1)方案Ⅰ中采用4个腰形冒口和1个柱形冒口进行补缩,柱形冒口实现了对铸件中部的圆满补缩,由于腰形冒口的补缩通道过早阻断,产生了孤立液相区,导致缩孔、缩松缺陷。(2)方案Ⅱ将出现缩孔、缩松的区域加上相应尺寸的冷铁,铸件内大面积