| 计算机模拟技术的应用为人们认识铸造充型和凝固过程提供了新的手段,在铸造缺陷预报和浇注系统优化设计方面发挥了重要作用[1～2]。笔者采用View Cast软件对球墨铸铁汽车后桥壳体的铸造过程进行模拟并依此进行铸造工艺的改进优化。1后桥壳铸造工艺后桥壳是某公司主要产品之一,铸件质量105kg,外形轮廓尺寸为1567mm×448mm×160图2后桥壳铸件及浇注系统Fig.2Rear axle housing casting and its gating system图1铸件表面的皱皮缺陷Fig.1Elephant skin defect on the casting surfacemm,铸件壁厚在10～22mm之间,壁厚不均匀。铸件表面上不允许有冷隔、裂纹、缩孔和穿透性缺陷及严重残缺类缺陷。原生产工艺如下:采用Z18生铁进行熔炼,球化处理采用冲入法,浇包容量为800～900kg,根据原铁液w(Si)量补加1次孕育硅铁,粒度为3～8mm,倒包时加入0.2%的75SiFe(质量分数)进行随流孕育,粒度为0.2～0.8mm。选择后桥钢板销孔面作为开设浇注系统的位置。铸件为细长件,采用对称性浇注系统,两侧同时浇注。球墨铸铁件浇注时容易氧化,且一般呈糊状凝固,因此浇注系统需具备集渣、挡渣,大量输送铁液,转移热节,补缩的功能。选用封闭—开放式浇注系统,ΣF直:ΣF横:ΣF内=1.5:0.8:1,在直浇道下放置纤维质过滤网,采用边冒口补缩,铁液经横浇道通过冒口进入型腔。浇注初始温度为1350℃,型砂为粘土砂,芯砂选用酚醛—呋喃混合树脂砂,手工造型。铸件机加工后没有出现缩孔、缩松等缺陷,但是部分铸件的表面出现皱皮缺陷如图1所示。皱皮的形成与易氧化元素的氧化有关,因此对铸造过程进行计算机模拟,分析缺陷产生的原因,并进行工艺改进。2原方案铸造工艺分析根据零件图及铸造工艺图进行三维建模如图2所示,并采用铸造工艺模拟软件View Cast进行模拟计算分析。铸件及浇注系统中心对称,为提高计算速度,仅对其一半进行计算,通过该部分的计算结果可分析整个铸件的充型凝固过程。充型过程温度场模拟结果如图3所示。由图3可知,液态金属从直浇道进入横浇道过程中,铁液流速较快,进入冒口后液态金属直接冲向横浇道对面的冒口壁,如图3(a)所示;随着充入冒口铁液的增多,冒口中的铁液出现翻滚,与空气大面积接触,形成各种氧化物并以薄膜的形式分散在铁液中,如图3(b)所示;随着浇注的进行,铁液不断充入到冒口中并不断翻滚,最后通过内浇道进入到铸件中,如图3(c)所示;整个充型过程经历10.787s结束,如图3(d)所示。该过程中,铁液中的氧化薄膜被带入到铸件中,并不断上浮,最后聚集到铸件的上表面形成皱皮。由此可以看出,原方案的浇注系统不满足平稳充型的要求,最终降低了铸件的质量,因此需要对浇注系统进行改进。根据凝固过程温度场变化及球墨铸铁体积变化确定铸件中缩孔缩松的位置及大小,如图4所示。由图4可以看出,冒口和浇道有较好的补缩作用,铸件仅在冒口对面存在体积较小的缩孔缩松,能够满足要求。3铸造工艺优化从原方案的模拟结果看出,产生缺陷的主要原因是充型不平稳,因此对浇注系统进行改进,改进时遵循以下原则:(1)在确保铸件能够充满、不产生冷隔缺陷的前提下,直浇道、横浇道和内浇道的尺寸设计应保证金属液在流动过程中始终充满浇注系统,防止气体和夹杂物的卷入;(2)尽量降低充型速度使充型平稳,理想的充型速度是内浇道出口速度不大于0.5m/s。采用ViewCast软件辅助设计,根据铸件的特点仍然选用对称性浇注系统,两侧同时浇注,为了提高计算速计算机技术应用Application of Computer Technology2008/1现代铸铁83图3充型模拟结果Fig.3Simulation results of mold filling process(a)t=0.291s(b)t=0.372s(c)t=0.624s(d)t=10.787s度,仍选取铸件的一半进行研究。首先计算出铸件的临界体积(充型过程中铁液流过的最小截面为阻流截面,当阻流截面无法准确确定时,选取铸件中垂直于铁液流动方向上截面最小的一部分计算其体积,并利用该体积计算铸件的阻流截面面积,铸件中该部分的体积称为临界体积)为3400000mm3,选定直浇道高度为200mm,由此可算得充满临界体积的最短时间为5.036s,根据该时间计算出单浇口的阻流截面直径为30mm。将阻流截面设置在直浇道的底部,并在该部位放纤维质过滤网,模拟过程中忽略过滤网的阻流作用,整个铸件的充型时间由该截面确定;横浇道放在内浇道的下端,保证充入内浇道的铁液是平稳的;内浇道与横浇道及冒口相连接,为减小铁液充入冒口的速度,将内浇道形状做成薄板状;冒口及冒口径尺寸保持不变;铸件的三维图及浇注系统的主要尺寸如图5所示。改进工艺后,对铸件的充型凝固过程进行模拟,充型结果如图6所示。从充型结果看出,铁液能够连续地从直浇道充入到横浇道中,如图6(a)所示;铁液充满横浇道后进入薄板状内浇道,能够平稳充入冒口中,如图6(b)所示;随着浇注的不断进行,铁液能够平稳地充入冒口并进入到铸件中,如图6(c)所示;最后平稳地充入铸件中,整个充型过程总时间为15.042s,如图6(d)所示。整个过程中没有出现卷气飞溅现象,充型过程符合要求,消除了铸件中的皱皮缺陷。浇注系统优化后预测缩孔缺陷如图7所示。由铸件凝固过程模拟可以看出,除在冒口对面产生较小的缩孔缩松外,未出现其它缺陷,符合实际生产的要求。图4缩孔(松)预测Fig.4Shrinkage cavity(porosity)forecast图5浇注系统优化后的铸件及浇注系统Fig.5Casting and optimized gating system缩孔缩松D3035×35100×10200计算机技术应用Application of Computer Technology84现代铸铁2008/1图7浇注系统优化后缩孔缩松预测Fig.7Shrinkage cavity(porosity)forecast after gatingsystem having been optimized缩松缩孔图8浇注系统优化后的铸件表面Fig.8Casting surface after gating system having beenoptimized4结论采用View Cast软件进行铸造工艺辅助分析,得出缺陷产生的原因为充型过程不平稳,导致氧化严重,充入铸件后产生皱皮缺陷。通过计算得出合理的浇注系统,并进行模拟验证,结果表明,改进后的方案能够消除皱皮缺陷,获得优质铸件。(a)t=0.478s(b)t=0.708s(c)t=0.975s球墨铸铁汽车后桥壳体的铸造工艺优化@米国发$河南理工大学材料科学与工程学院!河南焦作454000 @赵恒涛$河南理工大学材料科学与工程学院!河南焦作454000球墨铸铁汽车后桥壳铸件在生产过程中容易产生皱皮缺陷,为查明原因,采用View Cast软件对其铸造工艺进行分析,并对充型及凝固过程进行了模拟。结果表明,由于合金充型过程不平稳造成金属液氧化严重,进而引起皱皮缺陷。根据模拟结果进行了浇注系统的改进,消除了皱皮缺陷。球墨铸铁;;后桥壳;;浇注系统;;皱皮缺陷[1]柳百成.铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展[J].铸造,1999,(8):40-45. [2]李殿中,康秀红.可视化铸造技术的研究与应用[J].铸造,2005,54(2):148-152. |
|
|
