1、支架鑄件概況
支架是出口美國的用于工程上的支撐零件，其鑄件材料，內(nèi)在質(zhì)量及表面質(zhì)量要求高。按照美國技術(shù)條件進行質(zhì)量檢查，鑄件內(nèi)部組織要求致密;側(cè)面兩個筋位于支撐部位，內(nèi)部不允許有縮孔縮松，表面不允許有縮凹，冷隔，澆不足，凹坑，凸瘤等缺陷;材料相當于QT450-12，要求球墨鑄鐵球化率大于90%;鑄件質(zhì)量為28.4kg，鑄件輪廓尺寸為543mm×355mm×152mm。采用砂型鑄造的形式，其砂箱輪廓尺寸為712mm×508mmmm×356mm。
2、數(shù)值模擬過程
ProCAST是法國ESI公司開發(fā)的鑄造過程仿真軟件，是為評價和優(yōu)化鑄造產(chǎn)品與鑄造工藝而開發(fā)的專業(yè)CAE系統(tǒng)。ProCAST可以模擬鑄件充型，凝固和冷卻過程中的流場，溫度場，應(yīng)力場和微觀結(jié)構(gòu)，同時可以對鑄造過程的各個參數(shù)進行設(shè)置。.材料的熱交換系數(shù)均取500w/m-2 k-1，固/液相線溫度均取1163℃/1265℃。澆注溫度均為1350℃。
由于該支架的材質(zhì)是球墨鑄鐵，球鐵在凝固過程中既有液態(tài)收縮，凝固收縮，又有石墨析出產(chǎn)生的膨脹，因此在模擬時必須考慮球鐵件的石墨化膨脹問題，具體的球鐵球化參數(shù)設(shè)置為：球化率90%，孕育時間400s.
3、模擬結(jié)果分析
3.1、溫度場分析
在21.3s時，在鑄件凝固初期，鑄件表面沒有筋的薄壁位置已經(jīng)開始凝固。由于內(nèi)澆道的厚度很薄且長度也很長，以至于中間兩個內(nèi)澆道已經(jīng)凝固，這樣內(nèi)澆道的液體無法實現(xiàn)對鑄件的補縮?？紤]到小型球墨鑄鐵件"集中收縮，驟然膨脹"的特點，前期鑄件的補縮還是需要冒口或澆注系統(tǒng)來完成，必須確保補縮通道的順暢，因此在修改工藝時應(yīng)當減少內(nèi)澆道的長度。在28s時，鑄件表面大部分已經(jīng)凝固，只有兩處明顯的孤立的液相區(qū)，最上部分的液相區(qū)主要是內(nèi)澆道過早凝固阻礙了外部液體的補縮并且自身的石墨化膨脹還不能用于凝固初期的補縮所至，而表面與側(cè)面筋交接的位置也有一處的孤立的液相區(qū)，這些位置極有可能會因為液體的冷卻收縮無法得到相應(yīng)的補償而產(chǎn)生縮孔，縮松等缺陷。在50.5s絕大部分位置完全凝固時，側(cè)面筋仍有3處明顯的孤立液相區(qū)，兩處是最有可能產(chǎn)生缺陷的位置。對于最上部的液相區(qū)，在修改工藝時，主要是修正內(nèi)澆道的截面積來調(diào)整。對于中間部分的液相區(qū)，可以增加冷鐵或冒口的方式消除。
這和Procast中模擬分析的結(jié)果基本一致。由以上分析可以知道，產(chǎn)生這種缺陷的主要原因就是厚大部分冷卻較慢無法補縮，因此可以在側(cè)面筋增加冒口或從鑄件結(jié)構(gòu)上減小側(cè)面筋的厚度。
3.2、流場分析
由于型腔中氣體被金屬液孤立而容易發(fā)生裹氣。那么在生產(chǎn)中如果此處的型殼透氣性不好，被封閉氣體的內(nèi)壓隨著流體的增多而逐漸增大，容易產(chǎn)生澆不足，氣孔等缺陷。同時在這個方案中從內(nèi)澆道中流出的液體要爬坡到達上表面，當金屬液上升到該位置時，由于斷面突然擴大，金屬液上升速度變得非常小，灼熱的金屬液較長時間地近距離烘烤上表面，極易造成夾砂，澆不到，砂孔等缺陷，同時金屬液的流速減慢也不利于氣體的排出。為此，可以將鑄件的上表面朝下仍使用原分型面重新設(shè)計澆注系統(tǒng)，同時在修改工藝時應(yīng)該修正橫澆道和內(nèi)澆道的截面積以增強橫澆道的擋渣作用。
4、修改工藝的生產(chǎn)驗證
經(jīng)過前面的分析，調(diào)整橫澆道和內(nèi)澆道的截面大小以增強橫澆道的擋渣作用，同時在滿足鑄件質(zhì)量要求的情況下為實現(xiàn)表面的無缺陷而減少表面筋的數(shù)量，將上表面朝下，按照均衡凝固工藝原則，冒口不要直接放到熱節(jié)上，冒口不必晚于鑄件凝固，冒口在鑄件均衡點來臨時，及時關(guān)閉補縮通道，通過鑄件的石墨化膨脹實現(xiàn)自補縮。在改進的過程中，經(jīng)過總結(jié)以前的生產(chǎn)經(jīng)驗，在支架兩個側(cè)面頂部設(shè)置壓邊冒口，這樣可以減少冒口對鑄件的熱影響;在鑄件液態(tài)收縮時及時提供補縮鐵液，在鑄件凝固石墨化膨脹時，冒口的補縮通道已經(jīng)堵死，增強了鑄件的自補縮能力，提高鑄件的品質(zhì)。按照設(shè)置壓邊冒口的工藝方案澆注10件，對這10件進行檢驗發(fā)現(xiàn)，除了由工人操作原因造成的1件廢品外，表面存在明顯縮孔，縮松的只有1件，對其余的8件產(chǎn)品的側(cè)面輪子處進行解剖檢驗，僅有1件內(nèi)部仍有較大面積的縮松，沒有集中縮孔，個別件仍發(fā)現(xiàn)極少量縮松(沒超出允許的范圍)，得到了7件質(zhì)量合格的產(chǎn)品。
5、結(jié)論
(1)對具有復(fù)雜筋結(jié)構(gòu)的球墨鑄鐵型支架的三維實體造型，再導(dǎo)入Procast中進行有限元分析和參數(shù)設(shè)置，進行充型和凝固過程的模擬仿真，預(yù)測了鑄件缺陷可能出現(xiàn)的位置，根據(jù)鑄造缺陷對工藝方案和鑄件結(jié)構(gòu)進行了改進，達到了鑄件的預(yù)期質(zhì)量。
(2)對模擬仿真的缺陷和實際樣品的缺陷進行對照，驗證了Procast在鑄造過程的模擬仿真的實用性，Procast的推廣使用對減少產(chǎn)品的研發(fā)周期和生產(chǎn)成本及提高企業(yè)的競爭力具有重要的作用。
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