搖枕與側(cè)架鑄件的熱裂紋數(shù)值模擬研究

1、搖枕與側(cè)架鑄件的熱裂紋數(shù)值模擬研究鐵路車輛的搖枕、側(cè)架是車輛走行部位的關(guān)鍵零部件，其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到鐵路運輸?shù)陌踩?。隨著鐵路車輛的提速，搖枕、側(cè)架的質(zhì)量要求也越來越高。由于搖枕、側(cè)架復雜的薄壁形結(jié)構(gòu)，鑄造過程中很容易產(chǎn)生變形、裂紋等方面的缺陷。但一個合理的鑄造工藝往往需要進行反復多次的“設(shè)計、試澆注、校合、優(yōu)化設(shè)計”循環(huán)過程來實現(xiàn)，這往往需要耗費太多的人力物力和時間。而計算機數(shù)值模擬可以將這一過程大大地簡化，既節(jié)約了成本，又能大大縮短工藝優(yōu)化的時間，所以用數(shù)值模擬武裝現(xiàn)在相對落后的鑄造工業(yè)勢在必行。1 搖枕、側(cè)架概述    搖枕、側(cè)架結(jié)構(gòu)復雜，箱形斷面，屬于大型

2、薄壁件。在鑄造的過程中，由于壁厚不均，冷卻時不可能同時凝固，局部熱應(yīng)力大，形成熱裂紋的傾向性大。而且由于鑄件的輪廓較大，結(jié)構(gòu)復雜，鑄件容易產(chǎn)生較大的變形，容易產(chǎn)生裂紋。裂紋大多外形曲折且不規(guī)則，表面寬而內(nèi)部窄，從表面向內(nèi)部延伸；斷面呈氧化色，無金屬光澤；裂紋清除后，被清除部位無夾砂、氣孔、縮孔等其他鑄造缺陷。從裂紋的這些特征可以判斷，該裂紋屬鑄造熱裂紋。搖枕、側(cè)架重點檢測部位如圖l、2中A、B部位所示。 圖1 側(cè)架重點檢測部位示意圖圖2 搖枕重點檢測部位示意圖2 熱裂紋數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀    目前進行熱裂預(yù)測的模型可以簡單的歸納為以下三種模型： 

3、0;  (1)基于一維受阻模型的熱裂模擬；    (2)基于凝固條件與補縮能力的熱裂模擬；    (3)基于鑄件高溫應(yīng)力應(yīng)變場的熱裂模擬。2.1 鑄件熱裂的一維受阻模型    鑄件熱裂一維受阻模型是從集中變形及兩端約束這一思路出發(fā)的。Isobe，T.用熱節(jié)區(qū)變形量和合金臨界變形量隨溫度的變化及其相對大小來判斷熱裂形成；Kubota，M.提出，由合金高溫力學性能決定的臨界參數(shù)與冷卻條件決定的熱裂參數(shù)的比較來分析熱裂，或者用鑄件中心部冷卻速度與外緣冷卻速度之比作為熱裂判據(jù)。一維受阻模型的熱裂模擬主要

4、考慮了試棒的兩端受阻的熱裂情形，這和實際情況還有相當?shù)木嚯x。2.2 鑄件熱裂的凝固與補縮模型    熱裂的凝固補縮模型主要是從鑄件的凝固或補縮狀況來預(yù)測鑄件的熱裂紋，以Clyne.T.W問和Feurer.U閻的工作為基礎(chǔ)。Clyne.T.W將凝固的過程分為應(yīng)力松弛階段和易裂階段。由此根據(jù)應(yīng)力松弛階段和易裂階段的時間間隔之比來確定熱裂產(chǎn)生的可能性。Feurer.U認為熱裂是因合金的凝固收縮不能被充分補縮而形成的。他采用多孔介質(zhì)中流動的Darcy理論來計算枝晶間流體的補縮能力，并將求得的補縮能力和合金的凝固收縮進行比較，提出若補縮能力大于凝固收縮則不產(chǎn)生熱裂，反之則有

5、熱裂產(chǎn)生。2.3 基于鑄件應(yīng)力應(yīng)變場的熱裂數(shù)值模擬     基于應(yīng)力應(yīng)變場的熱裂模型多通過開發(fā)有限元軟件或借助于大型工程有限元軟件來模擬研究高溫應(yīng)力應(yīng)變行為。3 試驗內(nèi)容及結(jié)果    試驗鑄件結(jié)構(gòu)上設(shè)計了5根從300mm到900mm長度不等的板條。板條兩端通過橫澆道和塊狀結(jié)構(gòu)，使其凝固收縮受阻。板條越長，凝固收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變越大，越容易在板條和橫澆道相交處的熱節(jié)部位產(chǎn)生熱裂紋。試驗根據(jù)上述熱節(jié)處出現(xiàn)裂紋的情況來最終確定ZG25MnNi的鑄件在1565的條件下熱裂傾向的臨界值。    試驗以尋求搖枕、側(cè)架熱裂傾向的臨界值為目的，采用與搖枕、側(cè)架澆注工藝相同的材料、鑄型和澆注溫度。具體的試驗條件如下：    澆注溫度：1565；    鑄件材料：ZG25MnNi；    鑄型材料：有機酯水玻璃砂；    冷鐵材料：A3鋼。    試驗方案工藝圖如圖3所示。圖4、5、6為鑄件的實物圖。圖4為兩箱鑄件的宏觀外形圖，圖中用紅線標示了鑄件宏觀變形的主要部位。圖5、6分別為試驗