胡冰濤，呂 猛

（太重集團(tuán)榆次液壓工業(yè)有限公司鑄造分公司，山西晉中 030600）

隨著對機械裝備性能要求日益提高，對鑄件品質(zhì)的要求也日益提高。為了提高鑄件使用的安全性、可靠性，對鑄件的內(nèi)部質(zhì)量檢測的要求越來越高。所以，必須利用高新技術(shù)，提高鑄件質(zhì)量，改變鑄件技術(shù)含量不高的現(xiàn)狀。

傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計的時候往往依賴于工藝設(shè)計人員的直覺經(jīng)驗，并且工藝的驗證需要反復(fù)的實際澆注，如果工藝有錯誤，則可能造成模具報廢，不僅僅造成經(jīng)濟(jì)損失，還造成產(chǎn)品試制周期延長，可能導(dǎo)致訂單丟失，從而影響到企業(yè)的競爭力[1]。目前，數(shù)值模擬分析技術(shù)已較為成熟[2]，鑄造CAE技術(shù)結(jié)合計算機輔助技術(shù)，以傳統(tǒng)鑄造理論和鑄件凝固過程中的溫度場變化等理論為基礎(chǔ)，運用流體力學(xué)、熱力學(xué)和有限元等數(shù)值分析理論[3]對鑄造過程的充型、冷卻、凝固等進(jìn)行仿真分析，使鑄造過程變得形象化、可視化。在軟件的后置處理模塊中觀察鑄件充型與凝固過程的模擬結(jié)果，預(yù)測可能出現(xiàn)缺陷的位置及大小[4]。隨著技術(shù)的發(fā)展，鑄造過程模擬已經(jīng)成為了鑄造生產(chǎn)的一個必要環(huán)節(jié)，得到了極大的推廣，為鑄造企業(yè)帶來了不可估量的效益[5]。

1 差速器軸承蓋的結(jié)構(gòu)分析

差速器軸承蓋形狀及結(jié)構(gòu)如圖1所示，該鑄件的輪廓尺寸215 mm×119 mm×48 mm，重量為4 kg，最大壁厚為42 mm，最小壁厚為10 mm，材質(zhì)為國標(biāo)QT450-10，要求內(nèi)部及外表面不能有任何缺陷。

圖1 差速器軸承蓋鑄件圖

該鑄件在圖中1、2兩處為壁厚最厚處，3處為壁厚最復(fù)雜位置，3處中間凸臺兩邊為兩個凹坑，鑄件背面同樣位置也有兩個凹坑，導(dǎo)致此兩個凹坑處為壁厚最薄處。

2 初始鑄造工藝方案

考慮到鑄件上1、2兩處為鑄件上壁厚最厚處，依據(jù)經(jīng)驗判斷，在鑄件凝固后期會在此處出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷，故直接使用冒口在此處進(jìn)行補縮，1、2兩處各放置一個直徑70 mm冒口，冒口采用“一拖二”的形式，即每一個冒口同時對兩個鑄件進(jìn)行補縮。澆注溫度選擇為1400℃～1 350℃，澆注時間為6 s～8 s，冒口直徑為70 mm，然后對該方案進(jìn)行模擬分析。在滿足實際要求的前提下，為使問題簡化，就某一特定要求，對主要過程進(jìn)行模擬，在一般情況下，若鑄件充型時間和整體凝固時間相比很短時，常常可以假設(shè)鑄型是瞬時充滿的，這時只需計算溫度場即可[6]。因為該鑄件澆注時間短，僅為6 s～8 s，所以在模擬工藝方案時，僅模擬鑄件的凝固過程即可，而無需考慮澆注系統(tǒng)的形式等其他方面因素的影響。

圖2 初始方案模擬結(jié)果

圖2 為初始方案模擬結(jié)果，從圖上可以看出，鑄件上區(qū)域1與區(qū)域3交界處，以及區(qū)域2與區(qū)域3交界處存在明顯的縮松、縮孔。圖3為凝固過程中某一瞬時的狀態(tài)，可以看出鑄件在凝固過程中補縮通道提前關(guān)閉，無法對出現(xiàn)縮松區(qū)域進(jìn)行有效補縮。這種情況是無法通過增大冒口或者增大鑄件進(jìn)水口尺寸來進(jìn)行彌補的。

圖3 鑄件凝固過程某一瞬時狀態(tài)

3 工藝方案改進(jìn)

根據(jù)初始工藝方案的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于鑄件上補縮通道提前關(guān)閉，無法進(jìn)行有效補縮，該方案無法獲得合格的鑄件，必須對鑄件工藝方案進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)來看，將冒口移至圖1中位置3處，可以對鑄件上出現(xiàn)縮松的兩個位置同時進(jìn)行補縮，改進(jìn)后的工藝方案仍然使用“一拖二”方案，冒口大小為70 mm，為了利于冒口對鑄件進(jìn)行有效補縮，將冒口頸寬度做成60 mm，高度受限于鑄件厚度做成15 mm.改進(jìn)后工藝方案如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后工藝方案

將改進(jìn)后工藝方案進(jìn)行凝固模擬分析，其結(jié)果如圖5所示，從圖上可以看出，鑄件上區(qū)域1與區(qū)域3交界處，以及區(qū)域2與區(qū)域3交界處仍然存在兩處微小的縮孔區(qū)域。

圖5 改進(jìn)后工藝方案模擬結(jié)果

繼續(xù)將方案進(jìn)行優(yōu)化，將冒口直徑增大為80mm，同時鑄件上進(jìn)水口寬度加寬，增加為70 mm，并再次進(jìn)行凝固模擬分析，其結(jié)果如圖6所示，可以看出與一次改進(jìn)后結(jié)果幾乎相同，這說明在現(xiàn)有條件下，僅僅通過增大冒口和增加冒口頸寬度，已經(jīng)無法完全消除鑄件內(nèi)部存在的微小縮松。

根據(jù)改進(jìn)后一次、二次工藝方案凝固模擬分析結(jié)果來看：使用直徑70 mm和直徑80 mm的冒口，對鑄件內(nèi)部模擬分析情況下存在的縮松、縮孔缺陷已經(jīng)無法避免，但是根據(jù)模擬分析結(jié)果來，此兩處存在的微小的縮松、縮孔在實際生產(chǎn)中可能不會存在，可以先按照第一次改進(jìn)后方案進(jìn)行生產(chǎn)試制。

圖6 二次改進(jìn)后工藝方案模擬結(jié)果

4 生產(chǎn)驗證

使用鑄造CAE輔助技術(shù)對差速器軸承蓋的工藝設(shè)計進(jìn)行模擬改進(jìn)后，使用第一次改進(jìn)后方案進(jìn)行了樣件試制（見圖7），首批試制20箱，共計80件，全部經(jīng)過NDT驗證，未發(fā)現(xiàn)縮松、縮孔缺陷的存在。小批量試制100箱，共計400件，抽檢50件，亦未發(fā)現(xiàn)問題。目前，該鑄件已經(jīng)實現(xiàn)了穩(wěn)定批量生產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)到10 000件以上。

5 結(jié)論

鑄造CAE輔助技術(shù)的應(yīng)用，縮短了鑄件的工藝設(shè)計和生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)研發(fā)的成本，極大地提高了鑄造經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)了供應(yīng)商和顧客雙贏的目標(biāo)。

圖7 鑄件生產(chǎn)情況