側架鑄造工藝設計及其模擬優化范文

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摘要：側架的內部型腔連接筋較多，經常由于對接不良而導致錯位。通過對側架零件進行分析，利用CASTSOFT軟件對側架進行網格剖分及模擬計算，預測出六個大熱節和四個分散小熱節，并計算出各自凝固時間、預測出缺陷位置，在此基礎上對鑄件進行工藝設計，設計了冒口、冷鐵和澆注系統，最大程度降低了缺陷，最終得到合理的鑄造工藝，從而對側架的生產提供了可靠的技術支撐，降低了實驗耗費，是一種科學可靠的鑄造工藝優化技術。

關鍵詞：熱節；缺陷；鑄件；工藝設計

側架的內腔連接筋較多，生產制造時容易受人為影響，常常因為對接不良而產生錯位[1]。鑄造工藝過程比較復雜，易于顯現出來缺陷，利用微機模擬仿真，便可在熔煉澆注前對可能出現的缺陷位置和凝固持續時間進行計算，以便設計出最合適的工藝，以保證鑄件的生產品質，縮短試驗時間，為生產提供理論依據[2]。

1模擬計算前處理

1.1鑄件分析

鑄件外型尺寸為長2199.64mm，寬565.3mm，高419.8mm；體積為3.963×107mm3,毛坯質量為381kg。平均壁厚為25mm，內腔連接筋較多，材質為B級鋼，多用于鐵路機車車輛上，其凝固方式為中間凝固，實驗性能不好，液相溫度高，易形成集中縮孔熱裂等鑄造缺陷。此零件是對稱的，為了加快仿真時間，模擬運算時，只取零件的一半。計算網格數目166萬。

1.2邊界條件及參數設置

邊界條件以及相關參數的設置準確與否，直接影響金屬液體和鑄型等的換熱，會導致熱節計算、凝固進程以及缺陷預測偏差很大，經過多次試驗、模擬，進行如下設置。凝固過程在液態金屬未完全充滿型腔時已經開始，對于快澆大中件的砂型鑄造，t凝＞＞t澆，充型時間很短暫，不考慮充型對初始條件的影響，結果計算誤差不大，由于側架尺寸比較大，充型速度大，砂型的起始溫度設定為室溫（即20℃），鑄件初始溫度稍低于澆注溫度為1580℃。設鑄件與砂型之間的換熱系數為1100W/m2,砂型表面與大氣之間的換熱系數為500W/m2。

2裸件凝固模擬及制定工藝

2.1凝固進程模擬及確定

熱節邊界條件設置好之后，進行無澆注系統和無冒口的裸件凝固計算。通過凝固計算預測出側架各個部位的凝固時間，確定熱節部位及預測各熱節的凝固時間。從而使得鑄件的澆冒口可以按照熱節的溫度、出現部位進行設計，參照熱節的凝固時間設計，使得鑄件按照順序凝固進行[3]。通過凝固模擬計算得出鑄件的整體凝固時間為381.76s，側架左右兩側凹進去的部位凝固時間最長，為最后凝固部位，是第一熱節；凹進去的側旁的熱節為倒數第二最后凝固的部位，凝固時間約為321s，為第二熱節，第三熱節凝固時間為303s，第四熱節為243s，充型結束190.88s以內，沒有明顯的熱節，確定了側架的熱節和凝固次序。

2.2缺陷預測及工藝制定

預測的缺陷主要在鑄件的厚大部位[4]，尤其是中間頂部的肋板處，缺陷比較集中，根據缺陷預測的位置及凝固進程，制定了如下工藝方案。

（1）冒口。鑄件中間上部兩肋板交叉處壁最厚，液相結晶凝固最慢，分別設置冒口，尺寸為ф100mm×130mm。鑄件中心空腔靠近第三熱節的凸臺，預測有縮孔，對稱地在兩凸臺分別設計冒口，尺寸為ф85mm×90mm。鑄件最長框架中間上部設計一冒口，尺寸為ф50mm×85mm，第一熱節處，鑄件兩側各設置一冒口，尺寸都為ф80.5mm×120.4mm，并設計了冒口頸。

（2）冷鐵。第二熱節處設計外冷鐵，尺寸為ф16mm×50mm，兩肋板交叉處下方設置一冷鐵，尺寸為ф16mm×90mm，第四熱節共四個位置設計四個冷鐵，尺寸都為ф16mm×30mm。

（3）澆注系統。澆注位置從兩側導柱頭澆注，分型面在零件豎直方向中間平面上；內澆口安放在兩端，內澆口長寬高分別為34.7mm、25mm、40mm，從澆口杯流進鋼液，設計為過橋澆注，一件一箱，直澆道直徑為45.3mm、高424mm,為了緩沖液體流動速度，在直澆道正下方設計了一澆口窩，澆口窩由一個立方體塊和一個半球組成，立方體塊在半球上方，立方體塊的長寬高尺寸分別為：71.8mm、71.8mm、40.5mm，半球的直徑為71mm。

2.3有澆補系統的鑄件模擬

計算凝固時間是1461.42s，與裸件的凝固時間381.76s相比，時間變為4倍，其原因是設置了澆補系統總質量增加，從凝固進程圖中看出，冒口和澆注系統都比鑄件熱節凝固時間要晚，從而很好地補縮了鑄件凝固過程中的收縮，裸件凝固預測的熱節已經基本消除，最后凝固的部位都從裸件中的熱節轉移到澆冒系統中，表明鑄造澆冒工藝設計是合理的[5]。

3預測缺陷與實物對比

比較實物縱剖面圖和對應缺陷預測，可以發現此剖面內部型腔沒有大缺陷，只是中間空腔上部有少許縮松，實物和預測情況基本吻合，表明上述工藝是切實可行的。

4結語

（1）通過反復試驗，找到了合適的初始條件和邊界條件相關參數，為準確預測熱節、缺陷奠定了基礎。

（2）通過不加澆冒系統的裸件凝固模擬，找出了各個熱節、預測出各熱節的凝固時間，并預測出鑄件的缺陷大小和位置，從而為合理地設計澆冒系統提供了參考。

（3）參照各個熱節以及缺陷大小和位置，設計出了合理的澆冒系統，進行電腦虛擬澆注后，發現熱節和缺陷已經基本消除，并與實物缺陷相比較，結果計算機預測缺陷和實物缺陷基本吻合。

（4）電腦虛擬澆注為鑄造實驗的進行提供了科學的指導作用，可以降低試制時間、改進工藝及降低實驗耗費，是一種科學可靠的鑄造技術。

參考文獻

[2]柳百城.鑄造技術和計算機模擬發展趨勢[J].鑄造技術，2005（7）：611-616.

[3]中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊[M].北京：機械工業出版社，2004：46-82.

[4]王文清，李魁盛.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業出版社，2002．

[5]李英民,崔寶俠.計算機在材料熱加工領域中的應用[M].北京:機械工業出版社，2001.

[6]劉敬豪，凌云飛.支撐座一體側架鑄造工藝研究及實踐[J].中國鑄造裝備與技術,2013(2).

作者：劉艷明；勾靖國；張安義 單位：山西大同大學