李 巖，何家寧，李勁松，王夢源，畢厚煌

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

機(jī)床工作臺(tái)鑄造工藝設(shè)計(jì)及鑄造過程數(shù)值模擬

李 巖，何家寧，李勁松，王夢源，畢厚煌

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

工作臺(tái)是機(jī)床的重要部件，其鑄造質(zhì)量要求較高，不能有氣孔和縮松等鑄造缺陷。通過結(jié)構(gòu)分析，對機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)行了階梯式半封閉澆鑄系統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計(jì)，根據(jù)阻流截面積的水力公式計(jì)算出了澆注系統(tǒng)直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道的截面面積。應(yīng)用Pro/E 5.0三維造型軟件，建立了鑄件、澆注系統(tǒng)和砂型的三維模型，并進(jìn)行了裝配。針對機(jī)床工作臺(tái)鑄造工藝，應(yīng)用ProCast仿真軟件，對其鑄造充型過程和凝固過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，主要進(jìn)行了流場和溫度場的分析。從充型流場模擬可以看出，該鑄造工藝方案在充型階段金屬液流動(dòng)基本平穩(wěn)，無沖砂現(xiàn)象發(fā)生；從溫度場模擬可以看出基本符合均衡凝固的原則。設(shè)計(jì)和模擬研究為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)床工作臺(tái)工藝提供了參考。

機(jī)床工作臺(tái)；鑄造；工藝設(shè)計(jì)；模擬仿真

機(jī)床是工業(yè)之母，機(jī)床的性能對每一個(gè)制造零件質(zhì)量都起到至關(guān)重要的作用，故機(jī)床本身的制造質(zhì)量的控制更是重中之重。由于機(jī)床工作臺(tái)要承受來自被加工零件壓力、刀具工作切削力和裝夾具夾緊力的作用，所以對工作臺(tái)的制造提出了較高的要求。近年來，隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，鑄造工程中越來越多地使用CAE分析軟件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、改進(jìn)和研究[1-2]，極大地提高了設(shè)計(jì)效率，降低了生產(chǎn)成本。本文針對機(jī)床工作臺(tái)鑄造生產(chǎn)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并對該工藝進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究。

1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

本文研究的機(jī)床工作臺(tái)零件的基本結(jié)構(gòu)主要是由帶有T型槽的平板和1組帶筋板的盤形結(jié)構(gòu)兩部分組成，其零件圖如圖1所示。工作臺(tái)鑄件質(zhì)量要求嚴(yán)格，鑄件不得有氣孔、砂眼、疏松和裂紋等明顯的鑄造缺陷。在鑄件鑄造完畢后要進(jìn)行時(shí)效處理。

該鑄件材料牌號(hào)為我國國標(biāo)牌號(hào)QT600—3，外形尺寸為1 000 mm×900 mm×185 mm，主體壁厚為20～90 mm，質(zhì)量約為640 kg，采用成批生產(chǎn)方式。

圖1 機(jī)床工作臺(tái)零件三維模型圖

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)[3]

2.1 鑄造工藝方案

基于鑄件材料、尺寸精度、技術(shù)要求、生產(chǎn)條件和成本等綜合考慮，利用沖天爐進(jìn)行熔煉孕育球化處理達(dá)到QT600—3標(biāo)準(zhǔn),砂型材料為自硬樹脂砂，采用手工兩箱造型。為了避免T型導(dǎo)軌所在平面出現(xiàn)鑄造縮松、砂眼等鑄造缺陷，應(yīng)使較大平面朝下，分型面在零件最大截面處，使整個(gè)鑄件處于上箱，鑄件澆鑄位置和分型方案如圖2所示。

圖2 鑄件澆鑄位置和分型面方案

2.2 鑄造工藝參數(shù)選擇[4]

1)尺寸公差。查閱鑄件的尺寸公差數(shù)值表(GB/T 6414—1999)，基本尺寸為630～1 000 mm，鑄件公差等級CT12的尺寸公差為11 mm。

2)機(jī)械加工余量。根據(jù)RAM表得知，自硬型余量等級球墨鑄鐵的加工余量為F級，取鑄件機(jī)械加工余量為3.5 mm。

3)鑄造收縮率。鑄型種類和緊實(shí)度對鑄造收縮率也有影響，根據(jù)已往經(jīng)驗(yàn)取值。

式中，K是鑄造收縮率；LM是模樣尺寸；LJ是鑄件尺寸。

4)起模斜度。以分型面為基準(zhǔn)，上箱中測量面高度h1=70 mm，取起模斜度α1=0°50′，下箱中測量面高度h2=105 mm，取起模斜度α2=0°40′。

5)最小鑄出孔和槽。在平板上表面環(huán)形深3 mm、寬10 mm的槽，下面7個(gè)T型槽，側(cè)面2-M24螺紋孔以及背面6-M6螺紋孔均不鑄出。在盤型結(jié)構(gòu)環(huán)形槽上，正面3個(gè)環(huán)面上32-M12螺紋孔和4-φ2 mm孔均不鑄出。所有不鑄出的孔和槽均采用機(jī)械加工制造。

2.3 鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)類型選用階梯式半封閉澆鑄系統(tǒng)，取A直∶A橫∶A內(nèi)=1.2∶1.4∶1(A直、A橫和A內(nèi)分別是直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道截面面積)。阻流截面在內(nèi)澆道上，橫澆道截面面積為最大。鑄件澆鑄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 鑄件澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用垂直于分型面的圓柱形直澆道，澆注系統(tǒng)在盤型特征和平板特征水平面上分別設(shè)置2條橫澆道，平板特征的2條橫澆道在兩側(cè)，盤型特征的2條橫澆道與平板特征的2條橫澆道在空間垂直方向平行。在盤型特征每個(gè)橫澆道上設(shè)置1個(gè)內(nèi)澆道，在平板特征每個(gè)橫澆道上設(shè)置2個(gè)內(nèi)澆道，方向與鐵水流動(dòng)的逆方向傾斜。盤型特征上橫澆道上面與鑄件上面相平齊，平板特征上橫澆道下面與鑄件下面相平齊。橫澆道和內(nèi)澆道均為扁平梯形。

2.4 鑄件澆注系統(tǒng)尺寸的計(jì)算

阻流截面積∑A阻的水力公式為：

式中，GL是流經(jīng)阻流的金屬總質(zhì)量，球墨鑄鐵件一般工藝出品率為70%，則GL=鑄件質(zhì)量/工藝出品率= 635.7/70% = 908.1 (kg)；ρ是金屬液密度，球墨鑄鐵取7.3 g/cm3；g是重力加速度，取9.8 m/s2；t是充填型腔的總時(shí)間，取19 s；μ是流量系數(shù)，μ=0.41；Hp是平均計(jì)算壓力頭，Hp=35 cm。

計(jì)算得：

∑A內(nèi)=∑A阻≈62 (cm2)

每一個(gè)內(nèi)澆道的截面積A內(nèi)=62/6≈11 (cm2)，每一個(gè)橫澆道的截面積A橫=86.8/2≈44 (cm2)，直澆道的截面積A直=1.2×62≈74 (cm2)

對于這種球墨鑄鐵大型板狀鑄件，應(yīng)盡量使石墨體積膨脹而產(chǎn)生自身補(bǔ)縮作用，避免產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，實(shí)現(xiàn)球墨鑄鐵件的無冒口鑄造。

3 鑄造過程數(shù)值模擬[5]

3.1 建立三維模型及網(wǎng)格劃分

應(yīng)用三維建模軟件Pro/E 5.0建立鑄件、澆鑄系統(tǒng)和砂型的三維實(shí)體模型，然后進(jìn)行裝配，輸出IGS格式文件。應(yīng)用ProCast軟件中的VE打開IGS格式文件，先劃分出面網(wǎng)格，再劃分出體網(wǎng)格(見圖4)，然后輸出.mesh格式的體網(wǎng)格文件，供老版本的ProCast軟件做前處理。

圖4 劃分體網(wǎng)格

3.2 前處理

進(jìn)入ProCast軟件的PreCAST模塊中，打開.mesh文件。鑄件材料設(shè)置為QT600—3,砂型材料設(shè)置為自硬樹脂砂。鑄件和砂型間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=500 W/(m2·K)，空冷。澆鑄溫度為1 350 ℃，砂型初始溫度為20 ℃。重力加速度為9.8 m/s2。

3.3 運(yùn)行計(jì)算及顯示結(jié)果

在ProCast軟件中的“DataCast”運(yùn)行計(jì)算，然后在“Visual-view”中查看結(jié)果。鑄件充型過程金屬液流動(dòng)模擬如圖5所示，在充型過程中金屬液流動(dòng)整體基本比較平穩(wěn)，無沖砂現(xiàn)象。

圖5 鑄件充型過程模擬

凝固順序如圖6所示，在整個(gè)凝固過程中基本是由內(nèi)至外的均衡凝固，但在內(nèi)澆道附近鑄件形成熱節(jié)，可調(diào)整澆道布局，使整個(gè)鑄件凝固均衡。

圖6 凝固順序

4 結(jié)語

通過對機(jī)床工作臺(tái)鑄造工藝的設(shè)計(jì)和模擬仿真可以看出，階梯式半封閉澆鑄具有一定擋渣能力，對型腔沖刷力小，充型平穩(wěn)。與鐵水流動(dòng)的逆方向傾斜的內(nèi)澆道設(shè)計(jì)對金屬液流動(dòng)具有緩沖作用。機(jī)床工作臺(tái)鑄件滿足均衡凝固，對進(jìn)一步優(yōu)化澆注系統(tǒng)提供了依據(jù)。

[1] 趙富，趙銀虎，劉斌，等.ProCAST仿真技術(shù)在鑄鋼件缺陷預(yù)測上的探討與應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2010(11)：103-105.

[2] 朱昌盛，安國升，王智平，等.鑄造CAD/CAE系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2009(8)：76-78.

[3] 李弘英，趙成志.鑄造工藝設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4] 馮淑花，劉振一，劉增良，等.厚大平板類球墨鑄鐵件鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].鑄造，2014(11)：510-511.

[5] 李日.鑄造工藝仿真[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

責(zé)任編輯鄭練

DesignandNumericalSimulationofCastingProcessforPlaten

LI Yan, HE Jianing, LI Jinsong, WANG Mengyuan, BI Houhuang

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Platen is one of the important part of machine tool. Its requirement of the casting quality is higher, and it should not have pores, shrinkage and other casting defects. By analyzing the structure of the machine platen casting, designed semi-closed gating system of casting process on it. According to the hydraulic formula of cross section area of flow, calculate the area of the gating system of sprue and runner and ingate. Build models of casting, gating system and sand mold, then assemble them by Pro/E 5.0 software, which is a three dimension molding software. The filling process and solidification process of the platen is numerically simulated by the computer FEA software ProCast. Mainly carry on the analysis of flow field and temperature field. The filling flow field simulation shows that the casting process in the liquid metal filling stage of the basic flow smoothly, and no sand washing phenomenon occurrs. The temperature field simulation shows proportional solidification principle. The design and simulation study provides reference to further optimize the machine table process.

platen, casting process, process design, numerical simulation

TG 24

:A

李巖(1990-)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論等方面的研究。

何家寧

2015-06-05