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董文正  徐令  林啟權(quán)  熊芳喜

 （湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

摘要  采用底注和頂注式消失模工藝鑄造了球鐵長(zhǎng)叉件，并用ProCAST軟件對(duì)兩種工藝方案進(jìn)行了充型和凝固過(guò)程的模擬。針對(duì)兩種工藝產(chǎn)生嚴(yán)重縮孔、縮松的問(wèn)題，改進(jìn)后采用階梯式澆注工藝，并對(duì)改進(jìn)工藝過(guò)程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，階梯式澆注工藝消除了鑄件內(nèi)部的縮孔、縮松缺陷。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對(duì)比證實(shí)了改進(jìn)方案的可行性。

關(guān)鍵詞  消失模鑄造；ProCAST軟件；熱物理模型；球墨鑄鐵

  近些年來(lái)使用CAE對(duì)鑄件做工藝優(yōu)化和鑄造過(guò)程模擬的研究越來(lái)越多。消失模鑄造由于其生產(chǎn)的鑄件尺寸精度高、表面粗糙度低、機(jī)加工余量小、操作簡(jiǎn)單，是一項(xiàng)很有發(fā)展前景的近凈型鑄造技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

  球墨鑄鐵長(zhǎng)叉件是某農(nóng)用拖拉機(jī)液壓提升器上的提升件，三維輪廓尺寸為375 mm×142 mm×552mm（見(jiàn)圖1），單件質(zhì)量約為30 kg，材質(zhì)為QT600-3（成分見(jiàn)表1），屬于珠光體球墨鑄鐵。該長(zhǎng)叉件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多凸臺(tái)、凹坑、過(guò)渡圓角及孔，圓筒內(nèi)部為階梯狀通孔。該鑄件壁厚過(guò)渡大，多分散熱節(jié)，中間部分筒壁比較薄。叉臂上的通孔后期易于加工，在鑄造毛坯時(shí)不要求鑄出。此鑄件為承載件，受力大，受載情況復(fù)雜，要求鑄件內(nèi)部組織致密，不能有嚴(yán)重的孔洞缺陷，同時(shí)要求表面不能有砂眼、夾渣、皺皮等其他缺陷。

1  工藝試制及模擬結(jié)果分析

1.1  熱物理模型的建立

 利用ProCAST軟件對(duì)試制工藝進(jìn)行模擬，長(zhǎng)叉鑄件有限元網(wǎng)格模型上復(fù)雜曲面網(wǎng)格長(zhǎng)度設(shè)為4 mm，澆注系統(tǒng)及冒口長(zhǎng)度為15 mm，砂型長(zhǎng)度為100 mm。熱物理參數(shù)設(shè)置如下。

 (1)界面參數(shù)空心直澆道與泡沫之間界面類型定義為“Eouiv”，其余定義為“CONIC”，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)為h=150 W／(m2．K)。

 (2)初始條件及邊界條件  充型時(shí)砂型和泡沫模樣的初始溫度為室溫(25℃)，鑄件初始溫度為澆注溫度(1 480℃)；充型時(shí)，“Heat”選擇空冷條件；設(shè)置對(duì)稱面，選擇對(duì)稱面作對(duì)稱邊界條件“Symmetry”；“Pres-sure”設(shè)為負(fù)壓0.05 MPa，澆口面處為1.05 MPa，砂箱外表面為1.0MPa；澆注溫度設(shè)為1 480℃，設(shè)置“Temprature”到澆口面。凝固計(jì)算時(shí)保留“Heat”和“Symmetry”即可，其他邊界條件在凝固和微觀計(jì)算模型中沒(méi)有作用。

 充型部分選擇重力充型模式耦合計(jì)算充型的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，凝固部分選擇重力熱模擬模式耦合計(jì)算凝固溫度場(chǎng)和微觀模型，其余參數(shù)按消失模的默認(rèn)設(shè)置�？紤]到在鑄件的臂窩處會(huì)產(chǎn)生大熱節(jié)，當(dāng)液體的補(bǔ)縮不足時(shí)，往往會(huì)在鑄件最后凝固的位置出現(xiàn)孔洞。而本鑄件的材料為球墨鑄鐵，在金屬液凝固后石墨發(fā)生膨脹會(huì)產(chǎn)生自補(bǔ)縮。在鑄件的凝固計(jì)算中耦合微觀，設(shè)置THERMAL中的POROS一1，GRAPHITE一0.8，F(xiàn)ADING=0.8�？紤]到涂層對(duì)充型和凝固過(guò)程的影響，在“．dat”文件中的相應(yīng)位置添加合適的參數(shù)。

1.2兩種工藝方案的試制及模擬結(jié)果分析

底注式方案比較簡(jiǎn)單，澆注系統(tǒng)由直澆道和橫澆道兩段組成，空心直澆道直徑為45 mm，直澆道頂端高于鑄件250 mm，保證足夠的金屬壓頭壓力；橫澆道為實(shí)心泡沫板，長(zhǎng)寬為110 mm×50 mm，高度從40 mm過(guò)渡到內(nèi)澆道的10 mm;采用“無(wú)（補(bǔ)縮）冒口”的自補(bǔ)縮工藝，僅在上叉臂頂端放置一個(gè)尺寸為50 mm×50 mm×70 mm的小集渣冒口，其三維圖及網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2a和圖2b。

 頂注式方案中，直澆道與中央頂冒口相連，內(nèi)澆道從頂冒口兩側(cè)將金屬液分別從兩臂側(cè)面引入進(jìn)澆，圓筒上下側(cè)和上臂前端各設(shè)置1個(gè)冒口。內(nèi)澆道截面尺寸為40 mm×40 mm，中央冒口尺寸為80 mm×80 mm×170 mm，直澆道冒口直徑為45 mm，高度為250 mm，上側(cè)冒口為60 mm×60 mm×90 mm，下側(cè)冒口為60 mm×60 mm×110 mm，上臂前端冒口為50 mm×50 mm×70 mm，其三維圖及網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2c和圖2d。

底注式澆注方案模擬及試制結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。從圖3可知，底注式澆注能平穩(wěn)地充滿鑄型，充型過(guò)程連續(xù)，鑄件表面質(zhì)量好，無(wú)皺皮、粘砂、氣孔等問(wèn)題。但充型過(guò)程中有可能發(fā)生金屬液包卷泡沫現(xiàn)象，需要在圓筒頂部增設(shè)集渣冒口，上叉臂前端的冒口集渣排氣效果良好，渣量不多，可適當(dāng)改小；凝固方面，由圖4a、圖4b可知，底注式無(wú)冒口補(bǔ)縮工藝內(nèi)澆道和直澆道過(guò)早凝固，導(dǎo)致金屬液無(wú)法從外部對(duì)鑄件底部進(jìn)行補(bǔ)縮，在靠近下叉臂壁窩的筒壁內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了嚴(yán)重的縮孔、縮松缺陷，鑄件內(nèi)部致密性很差（見(jiàn)圖4c）。

  頂注式工藝模擬及試制結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。頂注式澆注方案充型方向與排渣方向相反。從圖5可看出，金屬液自內(nèi)澆道開始自頂而下逐步推進(jìn)，充型平穩(wěn)且無(wú)斷流，最后充型的位置為離內(nèi)澆道最遠(yuǎn)的下叉臂前端。但此方案不利于排渣，頂部集渣冒口可以適當(dāng)改小，以避免在凝固階段倒抽長(zhǎng)叉前端鐵水，實(shí)現(xiàn)排渣功能。由圖6a和圖6b可知，冒口先于鑄件熱節(jié)區(qū)凝固，不能實(shí)現(xiàn)足量補(bǔ)縮，中央大冒口能保證澆注系統(tǒng)較晚凝固，澆注系統(tǒng)對(duì)上下部熱節(jié)區(qū)都進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間外部補(bǔ)縮，但是上部暗冒口散熱條件好，早于上部熱節(jié)區(qū)凝固，導(dǎo)致該處發(fā)生嚴(yán)重的縮孔、縮松缺陷，試制結(jié)果見(jiàn)圖6c。

2工藝方案改進(jìn)

2.1改進(jìn)方案

  根據(jù)底注式工藝和模擬結(jié)果可知，底注式充型平穩(wěn)，易于排渣，但澆注系統(tǒng)凝固太早，鑄件得不到外部補(bǔ)縮，鑄件自補(bǔ)縮不能完全滿足補(bǔ)縮需求；頂注式方案的集渣冒口偏大，容易在凝固階段倒補(bǔ)縮鑄件。綜合考慮，決定采用雙層階梯式澆注，橫澆道類似頂注式的中央大冒口，以澆代冒，并在圓筒頂部和上叉臂前端設(shè)置小集渣冒口，不另外設(shè)置補(bǔ)縮冒口，并保證集渣冒口在充型后10 s內(nèi)凝固。

  改進(jìn)的澆注方案三維模型見(jiàn)圖7，澆注位置設(shè)置在圓筒上下大熱節(jié)處，人為地改變鑄件凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，盡量實(shí)現(xiàn)順序凝固，使得鑄件最后凝固區(qū)域與澆注系統(tǒng)保持良好的連通。在圓筒頂端和上叉前端放置集渣冒口，冒口尺寸為30 mm×50 mmX20 mm;直澆道依然采用直徑為45 mm的空心泡沫澆道，直澆道高度為250 mm;連接空心直澆道、豎直擺放的實(shí)心泡沫橫澆道尺寸為60 mm×60 mm×240 mm，橫澆道能保證內(nèi)澆道較晚凝固，保持對(duì)熱節(jié)處進(jìn)行補(bǔ)縮；內(nèi)澆道尺寸為60 mm×40 mm×40 mm，為了防止倒補(bǔ)縮，采用變截面形式，內(nèi)澆道截面尺寸為40 mm×30 mm。

雙層階梯式澆注方案模擬結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。從圖8可知，由于采用雙層內(nèi)澆道，金屬液在鑄件中的流程距離縮短，充型效率顯著提高，雙層階梯式進(jìn)澆方案最大充型時(shí)間的縮短（由24. 08 s減少至16. 64 s）也保證了充型過(guò)程中鐵水溫度較高，能充分降解模樣；最后順利地充型兩臂前端位置。充型時(shí)間和縮孔、縮松分布見(jiàn)圖9，可見(jiàn)此方案改善了鑄件上下大熱節(jié)區(qū)補(bǔ)縮情況，幾乎在鑄件凝固的整個(gè)過(guò)程都保證了與內(nèi)澆道的連通，僅在鑄件圓筒兩頭厚壁區(qū)留有很小的孤立液相區(qū)，可能出現(xiàn)輕微的縮松缺陷，嚴(yán)重的縮孔缺陷僅出現(xiàn)在豎直橫澆道與內(nèi)澆道相連的位置。

2.2  實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果

采用改進(jìn)工藝生產(chǎn)驗(yàn)證，泡沫模樣及實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果見(jiàn)圖10。剖開鑄件未發(fā)現(xiàn)顯著縮孔缺陷，僅在下部熱節(jié)區(qū)存在少量集中縮松，試制結(jié)果與模擬結(jié)果相近，改進(jìn)方案基本解決了鑄件縮孔缺陷，也大大減輕了縮松程度。

3  結(jié)論

 (1)使用ProCAST軟件對(duì)長(zhǎng)叉件的底注和頂注式試制方案進(jìn)行了充型和凝固過(guò)程的模擬。針對(duì)兩種工藝中出現(xiàn)的縮孔、縮松缺陷，提出的階梯式工藝方案能夠消除鑄件縮孔、縮松缺陷，獲得合格的鑄件。

 (2)數(shù)值模擬得到的底注式、頂注式、階梯式的縮孔、縮松缺陷位置均與試制結(jié)果符合。說(shuō)明在合理的參數(shù)設(shè)置和準(zhǔn)確的熱物理模型的條件下，應(yīng)用ProCAST模擬技術(shù)可以較好地模擬消失模鑄造過(guò)程。