趙會(huì)琴，陳　輝（.中條山機(jī)電設(shè)備有限公司技術(shù)科，山西垣曲　043700；.中條山有色金屬集團(tuán)有限公司生產(chǎn)部，山西垣曲　043700）

華鑄CAE模擬在鉸鏈梁鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用

趙會(huì)琴1，陳輝2
（1.中條山機(jī)電設(shè)備有限公司技術(shù)科，山西垣曲043700；2.中條山有色金屬集團(tuán)有限公司生產(chǎn)部，山西垣曲043700）

利用華鑄CAE軟件模擬鉸鏈梁鑄件樹脂砂鑄造的充型和凝固過程，對(duì)鑄件充型行為，溫度場(chǎng)變化及可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了分析，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，大大縮短了試制和生產(chǎn)的周期，節(jié)省了資金，生產(chǎn)出的鉸鏈梁鑄件輪廓完整，沒有砂眼、氣孔、裂紋、縮松等缺陷。

鉸鏈梁；消失模鑄造；模擬；工藝改進(jìn)

在機(jī)械行業(yè)中，隨著近年各個(gè)領(lǐng)域的高速發(fā)展，金剛石的工業(yè)需求也與日俱增。在我國，六面頂壓機(jī)是生產(chǎn)人造金剛石的主要生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備，這種設(shè)備是通過六個(gè)相同的鉸鏈梁在六個(gè)方位排列組成系統(tǒng)，在高壓作用下，使片層狀石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛骟w結(jié)構(gòu)的金剛石。

鉸鏈梁是制備金剛石用六面頂壓機(jī)的核心部件，它的質(zhì)量好壞直接影響到六面頂壓機(jī)的使用壽命。該鑄件單件重量3 t～4 t，材質(zhì)為ZG34Cr2Ni2Mo，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑄件不允許有砂眼、氣孔、裂紋、縮松等缺陷，耳部及底部不允許補(bǔ)焊，鑄件清理退火后底部和耳部超聲波探傷達(dá)到Ⅰ級(jí)精度要求，其他部位Ⅱ級(jí)，粗加工正火后，調(diào)質(zhì)處理硬度達(dá)到240 HB～280 HB.

為了獲得質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的鑄件，必須保證科學(xué)的工藝設(shè)計(jì)及合理的溫度場(chǎng)建立。本研究對(duì)鉸鏈梁的充型過程及凝固過程、可能產(chǎn)生缺陷的位置進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助模擬（CAE），為鉸鏈梁的前期工藝設(shè)計(jì)，后期的工藝改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1　建立實(shí)體模型及模擬計(jì)算

該鉸鏈梁鑄件外形尺寸φ1 640 mm×835 mm，鑄件毛重約4 t.為達(dá)到鑄件對(duì)耳部和底部的Ⅰ級(jí)探傷要求，采用耳部朝下，底部朝上的造型工藝，其澆注系統(tǒng)采用分型面進(jìn)入的方式，用直徑為90 mm的直澆道瓷管通到耳部最下端，底部放兩個(gè)高400 mm的普通腰形冒口補(bǔ)縮。

造型材料采用樹脂砂造型，在內(nèi)部熱節(jié)表面處鋪一層30 mm左右的鉻鐵礦砂用來激冷，加速鑄件表面的凝固，有效防止鑄件表面粘砂；型腔表面涂2～3遍醇醇基鋯英粉快干涂料，涂層厚度控制在0.6 mm～0.8 mm.

利用SOLDWORKS軟件對(duì)鉸鏈梁鑄件及澆注系統(tǒng)的幾何模型進(jìn)行建模，同時(shí)考慮了鑄件的拔模斜度、鑄件的加工余量及鑄鋼合金的收縮率等參量。圖1為鉸鏈梁實(shí)體的結(jié)構(gòu)模型。

圖1 鑄件實(shí)體模型

鉸鏈梁鑄造過程中，填充凝固過程與很多因素有關(guān)，特別是金屬液的流動(dòng)性、澆注和鑄型的溫度及保溫冒口的位置和材質(zhì)都是影響鑄件質(zhì)量的常見因素。利用華中科技大學(xué)開發(fā)設(shè)計(jì)的華鑄CAE分析軟件對(duì)鑄件的鑄造過程進(jìn)行模擬分析。

圖2　原工藝模型圖

原工藝方案如圖2所示：

澆注系統(tǒng)采用側(cè)面階梯式進(jìn)入，冒口采用2個(gè)普通腰形冒口。

模擬計(jì)算過程如下：

（1）輸入幾何圖形

開啟CAE軟件，在軟件中開啟圖形文件，然后定義鑄件，澆注系統(tǒng)，冒口，鑄型等，同時(shí)定義他們的優(yōu)先級(jí)別。

（2）網(wǎng)格劃分

采用等步長劃分，以節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存和減少計(jì)算時(shí)間，部分單元格尺寸為5 mm×5 mm×5 mm，剖分單元格總數(shù)在2.4×106，計(jì)算速度得到極大的提高。

（3）定義鑄件的材質(zhì)

鑄件所用材質(zhì)為ZG34Cr2Ni2Mo，鑄型材質(zhì)為樹脂砂造型。華鑄CAE系統(tǒng)自帶材料數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的參數(shù)。

（4）鑄件的澆注溫度

利用公式t熔=1 539-∑△t·x%，及材質(zhì)成分范圍，可以計(jì)算澆注溫度約為1 560℃，鑄型的初始溫度為室溫（22℃），澆注用時(shí)1 min.

圖3　鑄件溫度場(chǎng)模擬（間隔15 s）

2　模擬結(jié)果及分析改進(jìn)

鑄型充型過程溫度場(chǎng)模擬見圖3，圖中分別給出了0 s、40 s、80 s、100 s的溫度場(chǎng)分布圖，在模擬充型過程中看出：金屬液進(jìn)入型腔不是很平穩(wěn)，有卷氣現(xiàn)象。從整個(gè)溫度場(chǎng)分析來看，鑄件上表面冒口根部熱量集中，容易產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生裂紋。

鑄件經(jīng)過1 710 s后完全凝固，模擬結(jié)果見圖4.圖中可以看出：冒口根部有很多的縮孔。這些缺陷嚴(yán)重影響到鑄件的機(jī)械性能和使用壽命，既使刨開補(bǔ)焊后也不能通過Ⅰ級(jí)探傷。證明此鑄造工藝設(shè)計(jì)不合理，需重新修訂鑄造工藝。

圖4　縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生部位模擬（圖中黑色區(qū)域）

改進(jìn)工藝如圖5所示，內(nèi)澆道進(jìn)入鑄件的方式采用底返開放式澆注系統(tǒng)，這樣能使金屬液平穩(wěn)進(jìn)入鑄件型腔，不會(huì)產(chǎn)生卷氣，夾渣的缺陷。冒口改用4個(gè)直徑320 mm×500 mm×600 mm腰形保溫冒口，補(bǔ)縮效率比普通的砂型冒口最少能提高20%以上，補(bǔ)縮效果好，而且熱能不集中，分散應(yīng)力，并在冒口升至1/3處改用鋼水從冒口直接澆入，再覆蓋保溫劑100 mm～150 mm，最后點(diǎn)兩次至三次冒口。

優(yōu)化工藝后，經(jīng)華鑄CAE軟件模擬充型過程液面平穩(wěn)上升，鋼水從鑄件底部進(jìn)入型腔，無卷氣，夾渣等缺陷的產(chǎn)生，冒口補(bǔ)縮良好，鑄件各部分溫度分布均勻，沒有縮孔產(chǎn)生，證明此工藝符合產(chǎn)品要求，可以進(jìn)行試生產(chǎn)。

通過工藝改進(jìn)鑄件的縮孔、裂紋等缺陷基本消除，鉸鏈梁鑄件的外形輪廓完整，沒有缺肉等現(xiàn)象。我廠已為多家客戶生產(chǎn)鉸鏈梁鑄件上百噸，客戶主要分布在天津、河南等地。圖6為鑄件實(shí)物圖。

圖5改進(jìn)后工藝圖

3　結(jié)論

采用計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，對(duì)合金鋼鉸鏈梁鑄件的鑄造工藝進(jìn)行模擬，可以準(zhǔn)確客觀地定位鑄件中的縮松、縮孔可能出現(xiàn)的位置，估計(jì)他們的尺寸大小，為實(shí)際生產(chǎn)提供先期的工藝改進(jìn)的方向和目標(biāo)。因此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算可以極大地縮短新產(chǎn)品開發(fā)試制周期，同時(shí)也能挽回因試制產(chǎn)品產(chǎn)生廢品給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

圖6　鑄造件實(shí)物圖

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

［2］柳百成，荊濤.鑄造工藝模擬仿真與質(zhì)量控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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［5］李玨葉，張鑰城.CAE分析技術(shù)在厚壁齒輪件工藝設(shè)計(jì)的中的應(yīng)用［J］.鑄造設(shè)備研究，2015（07）：29-30.

Application of Huazhu CAE Simulation in Hinge Beam Casting Production

ZHAO Hui-qin1，CHEN Hui2
（1.Zhongtiaoshan Technology Section of the Mechanical and Electrical Equipment CO.，LTD.，Yuanqu Shanxi 043700，China；2.Zhongtiao Non-ferrous Metal Group limited company Production Department，CO.，LTD.，Yuanqu Shanxi 043700，China）

This paper simulated the hinge beam casting filling and solidification process of lost foam casting using Huazhu CAE software，analyzed its casting filling behavior，temperature field and the possible defects.The process was improved on the basis of the analysis results，which greatly shorten the trial production and production cycle and saved money.The finished product had complete profile，no defects such as sand hole，air hole，crack，shrinkage and so on.

hinge beam，lost foam casting，simulation，process improvement

TG245

A

1674-6694（2016）02-0009-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.02.004

2015-11-29 作者簡介：趙會(huì)琴（1973-），女，山西曲沃人，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)及工藝管理工作。