劉秀君，葉華君

數(shù)值模擬在盤(pán)體工藝優(yōu)化中的應(yīng)用

The Application of Numerical Simulation in the Process Optimization of Discs

劉秀君1，葉華君2

采用Solidworks三維造型軟件對(duì)輥式磨盤(pán)體進(jìn)行造型，添加澆冒系統(tǒng)、激冷系統(tǒng)，用Solidcast軟件進(jìn)行凝固過(guò)程的數(shù)值模擬，通過(guò)溫度場(chǎng)的凝固模擬，預(yù)測(cè)了形成縮孔、縮松缺陷的不同傾向，并對(duì)比了不同工藝方案下鑄件的縮孔、縮松分布，對(duì)鑄造工藝進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，將改進(jìn)后的鑄造工藝應(yīng)用于生產(chǎn)，既解決了鑄件的鑄造缺陷問(wèn)題，又加快了工藝開(kāi)發(fā)周期。

盤(pán)體；數(shù)值模擬；工藝優(yōu)化

1 前言

盤(pán)體是輥式磨的重要部件，在使用過(guò)程中承受著巨大的支承力、壓力和扭矩。盤(pán)體鑄造質(zhì)量的好壞對(duì)于整臺(tái)輥式磨具有至關(guān)重要的作用。

采用數(shù)值模擬軟件對(duì)鑄件的凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，不僅可以通過(guò)計(jì)算機(jī)直接觀察凝固過(guò)程，還可以幫助工程技術(shù)人員在鑄造工藝設(shè)計(jì)階段，有效預(yù)測(cè)鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時(shí)間，從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，確保鑄件質(zhì)量。

本設(shè)計(jì)通過(guò)采用Solidworks三維造型軟件對(duì)盤(pán)體進(jìn)行鑄件和澆注系統(tǒng)的造型，再用Solidcast軟件對(duì)鑄造工藝方案進(jìn)行鑄造凝固過(guò)程的數(shù)值模擬，對(duì)比了不同工藝方案下鑄件可能產(chǎn)生的縮孔、縮松分布，最終將優(yōu)化后的工藝方案用于生產(chǎn)實(shí)際，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 盤(pán)體概述與工藝設(shè)計(jì)

2.1 盤(pán)體概述

該型號(hào)盤(pán)體材質(zhì)ZG270-500，最大外徑3 520mm，最大高度1 820mm，單件重量37t，最大熱節(jié)355mm，如圖1所示。其技術(shù)要求：盤(pán)體上下表面，超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)滿足JB/T5000.14-2007中的Ⅲ級(jí)要求；不允許有影響強(qiáng)度的鑄造缺陷存在等。

圖1 鑄件三維圖

2.2 鑄件設(shè)計(jì)

該鑄件為鑄鋼件，鑄造收縮率為2%，上平面加工余量23mm，下平面和側(cè)面加工余量18mm，鑄件截面最大處分型，手工樹(shù)脂砂組芯造型，一箱一型，鑄造工藝示意見(jiàn)圖2。

圖2 鑄件工藝示意圖

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄造手冊(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定采用開(kāi)放式階梯澆注系統(tǒng)，直澆道尺寸為2-φ100mm，橫澆道尺寸為φ120mm，下層內(nèi)澆道尺寸為8-φ 70mm，上層內(nèi)澆道尺寸為12-φ60mm，如圖3所示。

2.4 冒口設(shè)計(jì)

該鑄鋼件的凝固方式為順序凝固，在熱節(jié)處容易出現(xiàn)縮孔、縮松的缺陷。按模數(shù)法設(shè)計(jì)出磨盤(pán)大平面冒口尺寸,冒口尺寸為φ800mm×1 200mm發(fā)熱冒口，共4個(gè)，中間腰帶和小平面熱節(jié)位置擺滿外冷鐵，鑄件工藝出品率為66.5%（見(jiàn)圖4）。

圖3 鑄件澆注系統(tǒng)示意圖

圖4 原始鑄造工藝方案

2.5 熔化工藝設(shè)計(jì)

此盤(pán)體材質(zhì)為ZG270-500，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 ZG270-500化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%

采用60t電弧爐+100t精煉爐煉制鋼液64 000kg，出爐溫度控制在1 570～1 590℃，澆注溫度控制在1 550～1 570℃，漏包注水口為2-φ80mm，澆注時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)定為每箱270s。

3 鑄件的凝固過(guò)程數(shù)值模擬

3.1 產(chǎn)品實(shí)體建模

先用Solidworks軟件在零件模式下完成鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口實(shí)體、冷鐵建模并保存，另輸出為*.STL格式的文件。

3.2 網(wǎng)格的剖分與模擬

圖5 初始方案的縮孔模擬結(jié)果

圖6 初始方案的縮松模擬結(jié)果

圖7 磨盤(pán)鑄造工藝優(yōu)化前后補(bǔ)稱(chēng)對(duì)比示意圖

圖8 磨盤(pán)鑄造工藝優(yōu)化前后冒口對(duì)比示意圖

Solidcast采用有限差分法計(jì)算傳熱，同時(shí)結(jié)合特有的熱容積法跟蹤金屬體積變化，預(yù)測(cè)鑄件在澆注、凝固、冷卻過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷。分為FLOWCAST、SOLIDCAST集成模塊和OPTICAST模塊。在FLOWCAST、SOLIDCAST集成模塊中，按照不同的工藝方案導(dǎo)入所需的組成部分的STL格式文件。原始方案中，網(wǎng)格總數(shù)為8 000 000個(gè)。改進(jìn)后方案的網(wǎng)格總數(shù)仍為8 000 000個(gè)。完成有限元網(wǎng)格剖分后進(jìn)入計(jì)算處理模塊，按照工藝參數(shù)對(duì)鑄件重力鑄造過(guò)程計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，本文僅對(duì)純溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置完成后，開(kāi)始運(yùn)行計(jì)算。運(yùn)算結(jié)束后再進(jìn)入模擬結(jié)果查看，輸出數(shù)值模擬結(jié)果。

3.3 原工藝方案的凝固過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果

圖5、圖6為原工藝方案的凝固過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果。從圖中可以看出，鑄件上平面冒口中間部位出現(xiàn)縮松，下平面出現(xiàn)縮孔、縮松。在Solidcast軟件中，Material Density一般認(rèn)為是縮孔判據(jù)，判據(jù)取值0.99，結(jié)果見(jiàn)圖5中紅色陰影部分（下同）；Niyama Criterion一般認(rèn)為是縮松判據(jù)，判據(jù)取值0.4，結(jié)果見(jiàn)圖6中紅色陰影部分（下同）。

圖9 磨盤(pán)鑄造工藝優(yōu)化前后筋板對(duì)比示意圖

3.4 改進(jìn)后工藝方案

盤(pán)體上平面冒口之間的問(wèn)題主要是縮松，將4個(gè)單獨(dú)冒口下補(bǔ)稱(chēng)修改為整圈補(bǔ)稱(chēng)（見(jiàn)圖7），并將冒口內(nèi)移（見(jiàn)圖8）；盤(pán)體下平面的問(wèn)題主要是壁厚過(guò)大，補(bǔ)縮通道不暢通，增加4根150mm厚補(bǔ)縮筋（見(jiàn)圖9），增強(qiáng)補(bǔ)縮。對(duì)優(yōu)化后工藝方案凝固過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，其澆冒系統(tǒng)造型如圖10所示。

從圖11分析可以看出，改進(jìn)后的方案實(shí)現(xiàn)了順序凝固的目的，鑄件上平面和下平面內(nèi)部沒(méi)有縮孔和縮松，縮孔和縮松轉(zhuǎn)移至鑄件非重要區(qū)域，鑄件的工藝出品率基本不變。

圖10 優(yōu)化后鑄造工藝方案

圖11 優(yōu)化后方案的定量縮孔模擬結(jié)果

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

生產(chǎn)試制中，外模和砂芯均采用堿性酚醛樹(shù)脂砂，手工組芯造型，刷涂醇基鋯英粉涂料，合箱后熱風(fēng)機(jī)烘干；按照熔煉工藝煉制合格鋼液65 000kg，用精煉鋼包澆注；澆注成功的鑄件落砂后，經(jīng)正火+回火熱處理后粗加工，經(jīng)超聲波探傷檢查，盤(pán)體上下平面未發(fā)現(xiàn)縮孔或縮松等鑄造缺陷，材質(zhì)符合圖紙要求，超聲波探傷滿足JB/T5000.14-2007中的Ⅲ級(jí)要求。鑄件加工后的零件見(jiàn)圖12。

圖12 盤(pán)體照片

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用Solidcast模擬凝固軟件對(duì)盤(pán)體鑄造過(guò)程進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了工藝方案的優(yōu)化，減少了生產(chǎn)試制周期，節(jié)約了成本。采用經(jīng)數(shù)值模擬優(yōu)化后的鑄造工藝方案，可生產(chǎn)出合格的盤(pán)體鑄件。

[1]袁書(shū)倉(cāng)，張淑霞.數(shù)值模擬在鑄鋼殼體優(yōu)化中的應(yīng)用[J].鑄造設(shè)備與工藝，2010，（6）.

[2]余四紅，賈相武.基于Procast的殼體鑄件數(shù)值模擬鑄造工藝優(yōu)化[J].鑄造技術(shù)，2010，（10）.

[3]鑄造手冊(cè)（第五版）：鑄造工藝[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，（7）.■

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2016-05-19；編輯：趙星環(huán)