傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計建立在試錯法的基礎(chǔ)上，成本高，質(zhì)量差。通過計算機對鑄造過程進行模擬，可不經(jīng)實際澆鑄即可預(yù)測出鑄件中可能出現(xiàn)的缺陷類型、大小及位置。應(yīng)用鑄造模擬軟件可以大大縮短產(chǎn)品制作周期，確保鑄件質(zhì)量，提高工藝出品率，降低成本。
某企業(yè)生產(chǎn)的四輥
破碎機輥子輪廓尺寸為φ916mm x715mm，質(zhì)量為1820 kg，材料為ZG35CrMnSi，其三維模型如圖1所示。輥子在工作中承受嚴重磨損、擠壓作用，質(zhì)量要求嚴格，鑄件不得有縮孔、縮松、氣孔、裂紋缺陷。生產(chǎn)中，切除冒口，進行粗加工后，發(fā)現(xiàn)大量輥子中存在縮孔、縮松缺陷，說明胃口補縮效果不理想。這些缺陷嚴重影響了鑄件質(zhì)量，成為制約生產(chǎn)和延誤交貨期的主要問題。其缺陷如圖2所示。
本文運用View Cast模擬軟件對破碎機輥子的原工藝凝固過程進行了模擬分析，預(yù)測了缺陷產(chǎn)生的位置及原因，并根據(jù)模擬結(jié)果進行工藝優(yōu)化，確定冒口和冷鐵的合適尺寸及位置，消除了輥子上部的縮孔、縮松缺陷，保證了鑄件質(zhì)量，提高了企業(yè)效益。
1、原工藝方案及模擬結(jié)果
1.1原工藝簡介
原制作工藝如下：①采用簡易澆注系統(tǒng)。即采用內(nèi)澆道底返工藝，通過直澆道和橫澆道把鋼水引到鑄件底部，再由內(nèi)澆道從底部注入型腔。選用漏包澆注．包孔直徑為φ40mm；采用1個直澆道，尺寸為φ60mm;橫澆道1個，尺寸為φ60 mm;內(nèi)澆道1個，尺寸為(b70 mm。②分型面選擇在輥子底面。③澆注溫度為1580℃。④在輥子頂面邊側(cè)對稱設(shè)置兩個圓柱形冒口，尺寸為+360mmx360mm，冒口頸尺寸為咖260 mmx50 mm。⑤在輥子底部厚大部位沿筒壁外側(cè)設(shè)置一圈冷鐵，厚度為100mm。
1.2原始工藝模擬及結(jié)果分析
將實體模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件，導(dǎo)入View Cast模擬軟件進行實體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)2117377。鑄件平均壁厚90 mm，材料為ZG35CrMnSi，液相線1494.3℃，固相線1403.8℃，使用樹脂砂造型，澆注溫度1580℃。界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1100W/(m2.k)，鑄型初始溫度25℃。對原始方案的溫度場進行了模擬，通過凝固計算預(yù)測出可能出現(xiàn)缺陷的地方。
圖4是凝固模擬計算的結(jié)果，深色表示未凝固或半固態(tài)，淺色表示已經(jīng)完全凝固。可以看出，當(dāng)凝固時間進行到t=620s時，輥子底部安放冷鐵處和澆注系統(tǒng)開始凝固，見圖4(a)；當(dāng)t=1260s時，澆注系統(tǒng)即將結(jié)束凝固，凝固過程從輥子底部依次向上進行，見圖4(b)；當(dāng)t=6000s時，冒口不斷對鋼液的凝固收縮進行補足，鑄件內(nèi)出現(xiàn)了補縮“瓶頸”，鋼液即將分隔為孤立部分，見圖4(c)；當(dāng)t=6100s時，出現(xiàn)4部分孤立液相區(qū)，兩部分體積較大的孤立液相區(qū)的凝固收縮繼續(xù)由兩冒口補足，中間兩部分微小孤立液相區(qū)的補縮通道已斷開，凝固收縮失去了冒口的補足，凝固后期很可能出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，見圖4(d)；當(dāng)t=7600s時，孤立液相區(qū)繼續(xù)向上擴展，見圖4 (e)；當(dāng)t=8400s時，在凝固最后階段，孤立液相區(qū)出現(xiàn)在鑄件和胃口頸結(jié)合處，由于鋼液的體積收縮，此處會出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，見圖4(f)。原始工藝縮孔、縮松出現(xiàn)的位置如圖5所示。可以看出，縮孔、縮松出現(xiàn)在冒口頸和鑄件的結(jié)合處以及兩部分微小孤立液相區(qū)殘留的區(qū)域，模擬結(jié)果比較符合實際生產(chǎn)。
2、優(yōu)化工藝及模擬結(jié)果
2.1工藝優(yōu)化
根據(jù)實際生產(chǎn)情況和模擬結(jié)果，認為缺陷是由于樹枝狀晶體形成骨架時，宏觀補縮通道被堵塞，致使樹枝狀晶體分割包圍的液體部分形成微觀縮松嘲，冒口補縮不足和補縮通道不暢共同造成了縮孔、縮松缺陷。該輥子工藝改進的要點是消除凝固過程中出現(xiàn)的孤立液相區(qū)，使工藝系統(tǒng)能按照要求采取凝固方式，通過增加冒口或者冷鐵使中間部分最先凝固，然后是兩邊，冒口最后凝固，將缺陷留在冒口之中。
根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和缺陷分布狀況不需要增加冒口數(shù)量來進行補縮，只需要適當(dāng)增大冒口尺寸，將冒口尺寸改為咖410mmx410mm．冒口頸尺寸改為+300mmx80mm。從模擬結(jié)果可以看出，澆注系統(tǒng)對應(yīng)的輥子中間部位有微量孤立液相區(qū)存在，可以考慮增設(shè)冷鐵，降低此處的鑄件模數(shù)，改變溫度梯度，實現(xiàn)從鑄件到冒口的順序凝固。以增大冒口的補縮距離。為此，在輥子中間部位下部設(shè)置兩塊對稱的外冷鐵，厚度為60mm，形狀和鑄件輪廓相應(yīng)，材質(zhì)和鑄件一致。優(yōu)化的工藝如圖6所示。
2.2優(yōu)化工藝模擬及結(jié)果分析
將優(yōu)化工藝的三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件，導(dǎo)入ViewCast軟件，對其進行網(wǎng)格剖分和參數(shù)設(shè)置，對鑄件的凝固過程再次進行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖7。深色表示未凝固或半固態(tài)，淺色表示已經(jīng)完全凝固。可以看出，當(dāng)凝固時間進行到￡=1200s時．輥子底部安放冷鐵處和澆注系統(tǒng)即將結(jié)束凝固，凝同過程依次向上擴展，見圖7(a)、(b)；當(dāng)t=4420s時。輥子增設(shè)冷鐵的中間部位首先凝固，原工藝中出現(xiàn)的兩部分微小孤立液相區(qū)已經(jīng)消失，鑄件中出現(xiàn)兩部位大體積的孤立液相區(qū)，分別由兩冒口進行補縮，顯著的增加了冒口的補縮距離，凝固過程開始從輥子中部向兩端進行，符合設(shè)計思路，見圖7(c)；當(dāng)t=9600s時，孤立液相區(qū)出現(xiàn)在冒口頸根部和鑄件結(jié)合部位并繼續(xù)向上延伸，見圖7(e)；當(dāng)t=9900s時，凝固已經(jīng)接近結(jié)束，鑄件已經(jīng)全部凝固，孤立液相區(qū)出現(xiàn)在冒口中，能夠有效的補縮鑄件，實現(xiàn)了從鑄件到冒口的順序凝同。
優(yōu)化工藝模擬的缺陷預(yù)測如圖8所示，鑄件內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，縮孑L、縮松已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了冒口中。采用優(yōu)化后的工藝進行了生產(chǎn)，得到了沒有縮松、縮孔缺陷的優(yōu)質(zhì)鑄件，有效地解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題。冷鐵使得遠離胃口的部位先凝固，冒口使得整個鑄件形成一個正的溫度梯度，有利于鑄件實現(xiàn)順序凝固。
3、結(jié)論
(1)運用View Cast軟件對四輥破碎機輥子初始工藝進行了模擬和分析，準確預(yù)測了產(chǎn)生的縮孔、縮松缺陷，初始工藝產(chǎn)生缺陷是由冒口尺寸不夠和補縮通道不暢造成的。
(2)借助ViewCast軟件進行鑄造工藝優(yōu)化，將兩冒口尺寸適當(dāng)增大，同時在與澆注系統(tǒng)對應(yīng)的輥子中部對稱增設(shè)兩塊外冷鐵，降低此處模數(shù)，實現(xiàn)了鑄件先自下而上，再從中部到兩邊的順序凝固，大大延長了冒口的補縮距離，提高了工藝出品率，獲得了組織致密的鑄件。
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