華鑄cae工藝在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械中的應(yīng)用

華鑄cae工藝在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械中的應(yīng)用

鑄造工藝設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的工藝通常需要反復(fù)試驗(yàn)復(fù)雜的鑄造工藝和新產(chǎn)品，這不僅是一個(gè)長期的問題，而且是一個(gè)巨大的浪費(fèi)。為了獲得優(yōu)質(zhì)鑄件,公司從2003年采用“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件,充分感受到計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)帶來的效益;鑄造工藝已由過去單一憑經(jīng)驗(yàn)的定性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)化、定量化設(shè)計(jì),該軟件在多項(xiàng)新產(chǎn)品開發(fā)及國產(chǎn)化研制項(xiàng)目中發(fā)揮了巨大作用。鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)工況條件惡劣,因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)上大多選擇鑄鋼件,結(jié)構(gòu)以箱體薄壁類、彎板槽體類為主,并具有小批量、多品種、交貨時(shí)間緊的特點(diǎn)。本文以大型養(yǎng)路機(jī)械中車軸齒輪箱下箱體及滑道為例,說明“華鑄CAE”軟件在工藝優(yōu)化方面的應(yīng)用效果。1下鑄造的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)車軸齒輪箱是某技術(shù)引進(jìn)機(jī)型中走行系統(tǒng)的重要組成之一,由上下箱體、齒輪、軸和軸承等組成。下箱體毛重309kg,材質(zhì)為ZG230-450,輪廓尺寸為1150mm×866mm×268mm,壁厚最大60mm、最小13mm,屬于寬體多熱節(jié)薄壁復(fù)雜件(見圖1),其使用中承受車軸載荷,所以技術(shù)要求嚴(yán)格,鑄件不允許有裂紋及氣縮孔缺陷。1.1模擬結(jié)果及工藝措施在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)以前,先對箱體進(jìn)行無冒口的純凝固傳熱計(jì)算,該計(jì)算是基于“瞬間充型,初溫均布”假設(shè),只考慮凝固過程,沒有考慮充型的影響。此方法可以快速地根據(jù)縮孔、縮松的分布位置對可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測、分析與控制。模擬結(jié)果顯示:箱體合箱面、軸孔及厚大凸臺均有不同程度的縮孔,底部圓角及各T型熱節(jié)處則有斷斷續(xù)續(xù)的縮松區(qū),見圖2。根據(jù)模擬結(jié)果及呋喃樹脂砂生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),此箱體極易產(chǎn)生裂紋、氣孔、縮孔、夾渣、澆不足等缺陷,在初始工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取以下措施:(1)為確保軸孔、合箱面等關(guān)鍵部位組織致密,合箱面上方及軸孔上端或外側(cè)放頂冒口補(bǔ)縮;(2)在上、下箱體各凸臺底部、下箱體吊裝板側(cè)面放置外冷鐵,各合箱螺紋孔臺放置內(nèi)冷鐵,通過加強(qiáng)局部厚壁處的激冷,消除凸臺處的縮孔;(3)設(shè)置半環(huán)形橫澆道,鋼液由多個(gè)內(nèi)澆道引入,可提高充型能力,防止?jié)膊蛔闳毕?由于是轉(zhuǎn)包澆注,澆注系統(tǒng)采用半封閉式設(shè)計(jì),有利于擋渣。圖3為根據(jù)以上措施確定的工藝圖。1.2耦合參數(shù)的模擬及后置處理初始工藝模擬分三個(gè)模塊:前置處理、計(jì)算分析、后置處理。前置處理:賦予STL文件材質(zhì)屬性及優(yōu)先級別選擇,設(shè)置網(wǎng)格剖分參數(shù),進(jìn)行網(wǎng)格剖分。計(jì)算分析:澆注溫度選1590℃,選擇“重力補(bǔ)縮”功能,進(jìn)行耦凝計(jì)算,即基于耦合的凝固計(jì)算,其初始條件是來自充型耦合計(jì)算的最后溫度場,而非“瞬間充型,初溫均布”。該計(jì)算不僅考慮凝固過程,而且考慮充型的影響,能夠有效地校核澆注與補(bǔ)縮系統(tǒng)的合理性。后置處理:進(jìn)入后置處理模塊,打開數(shù)值畫面菜單中的色溫填充及定量縮孔,通過可視化鼠標(biāo)拖動旋轉(zhuǎn),查看色溫填充及縮孔分布情況(見圖4)。從初始工藝模擬結(jié)果來看,各軸孔、安裝板均得到有效的補(bǔ)縮,但在內(nèi)澆道一側(cè)的合箱面及凸臺根部仍有縮孔縮松,說明各拐角及T型熱節(jié)處仍存在孤立液相。這些單一的孤立液相最后沒有來自冒口的高溫鋼液加以補(bǔ)充,僅靠冷鐵是不能從根本上消除縮孔的。1.3內(nèi)冷鐵的保溫冒口模擬對初始方案中的補(bǔ)縮系統(tǒng)作適當(dāng)調(diào)整,取消底部凸臺處的外冷鐵及合箱螺孔凸臺的內(nèi)冷鐵,在相應(yīng)位置處設(shè)置帶易割片的保溫冒口,再進(jìn)行模擬(見圖5)。模擬結(jié)果顯示,合箱面及凸臺處的孤立液相得以消除。由此確定此工藝為試制工藝,見圖6。1.4加強(qiáng)型芯砂防縮裂法為達(dá)到預(yù)期效果,試制時(shí)除了合理的鑄造工藝,還需制定如下質(zhì)保措施做保障。(1)適當(dāng)減少樹脂的加入量,通過降低砂芯的強(qiáng)度,可減輕熱裂傾向;在散熱條件較差的各熱節(jié)及圓角處敷鉻鐵礦砂,可防止縮裂紋。(2)減少樹脂的加入量,多設(shè)排氣孔,芯骨上纏通氣繩,加強(qiáng)型芯砂的排氣,可減少發(fā)氣量、防止氣孔缺陷。(3)直澆道下方放置加厚過濾網(wǎng),加強(qiáng)澆道的擋渣能力防止夾渣缺陷。(4)涂料選不銹鋼鋯英粉涂料。(5)熔化時(shí)加強(qiáng)脫氧,采用合金化精煉方式,達(dá)到細(xì)化晶粒,減少微裂紋的效果。1.5缺陷的排除和處理采用上述工藝試制的下箱體充型良好,表面質(zhì)量和尺寸精度均達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)探傷及機(jī)加工驗(yàn)證,箱體的軸孔、合箱面、各凸臺螺孔組織致密,無縮孔、裂紋缺陷,整個(gè)鑄件無明顯的宏觀裂紋,磁粉探傷發(fā)現(xiàn)的裂紋幾何尺寸都不大,且不在重要受力部位,只需進(jìn)行常規(guī)的焊補(bǔ)處理即可。試制中存在的問題:(1)粗加工時(shí)在吊裝板下部發(fā)現(xiàn)密集氣孔;(2)超聲波探傷發(fā)現(xiàn),局部采用砂型暗冒口補(bǔ)縮的位置內(nèi)部存在零星的氣縮孔。對試制中的問題,采取了如下措施:(1)吊裝板內(nèi)的氣孔主要由側(cè)面的外冷鐵引起,取消此冷鐵,在吊裝板側(cè)面設(shè)置一個(gè)側(cè)冒口,既加強(qiáng)補(bǔ)縮,又有利于氣孔夾渣的溢出。(2)暗冒口在實(shí)際運(yùn)用中補(bǔ)縮效果不穩(wěn)定,改為用明冒口或保溫冒口。經(jīng)模擬,以上改進(jìn)措施有效,并在批量生產(chǎn)中得到實(shí)際驗(yàn)證(見圖7)。2板結(jié)構(gòu)槽體型滑道是某個(gè)自主開發(fā)機(jī)型挖掘機(jī)構(gòu)的重要承載件,材質(zhì)設(shè)計(jì)為ZG270-500,毛重380kg,輪廓尺寸為1855mm×638mm×262mm,壁厚為28~40mm,屬于板結(jié)構(gòu)槽體類鑄件(見圖8)。2.1分型方案確定先對平鑄和立鑄兩種分型方案進(jìn)行無冒口的純凝固計(jì)算(圖9),以此選出合理的方案。模擬結(jié)果顯示:平鑄方案鑄件的縮孔主要集中在上平面,這樣有利于放置冒口補(bǔ)縮,而立鑄的縮孔分布在側(cè)面不同高度的位置,只能采用側(cè)冒口補(bǔ)縮,造型時(shí)會非常麻煩,且立鑄需要較高尺寸的砂箱,砂鐵比比平鑄的要高出近三分之一,因此分型方案選擇平鑄。2.2方案1的安裝2.2.1保溫冒口的補(bǔ)縮方案根據(jù)平鑄方案縮孔的分布位置,添加適當(dāng)數(shù)量不同規(guī)格的冒口,除了頂部放明冒口外,其余全為保溫冒口,這樣既有利于排氣又節(jié)約鋼液。對此補(bǔ)縮方案進(jìn)行凝固過程模擬計(jì)算(圖10)。從模擬結(jié)果來看,各縮孔區(qū)基本獲得有效的補(bǔ)縮。2.2.2校核系統(tǒng)的合理性分析由于鑄件長達(dá)1855mm,橫澆道沿長度方向設(shè)置,并設(shè)4個(gè)內(nèi)澆道。進(jìn)行充型凝固過程模擬,選擇耦凝計(jì)算方式,校核澆注系統(tǒng)的合理性,模擬結(jié)果見圖11。模擬顯示,鑄件上平面在純凝固計(jì)算時(shí)只需一個(gè)冒口就能補(bǔ)縮,采用耦凝計(jì)算,上平面則出現(xiàn)大面積縮松,說明冒口數(shù)量還需增加。2.3補(bǔ)縮柱替代方案綜合考慮鑄件結(jié)構(gòu)及以上模擬結(jié)果,考慮到兩耳板圓臺距離,及變形因素,決定采用補(bǔ)縮柱替代原方案中的保溫冒口,并在上平面增加一個(gè)同尺寸的明冒口。模擬后,確定圖12為試制工藝。2.4合金化礦砂、加強(qiáng)氮?dú)馍a(chǎn)試制時(shí),選鋯英粉涂料,局部拐角處敷鉻鐵礦砂,加強(qiáng)排氣,進(jìn)行合金化精煉。生產(chǎn)出的鑄件表面質(zhì)量和尺寸精度均符合要求,經(jīng)探傷及機(jī)加工驗(yàn)證,產(chǎn)品質(zhì)量合格,滿足設(shè)計(jì)要求。3解決了鑄件質(zhì)量問題應(yīng)用“華鑄CAE