侧架铸造工艺设计及其模拟优化范文

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摘要：侧架的内部型腔连接筋较多，经常由于对接不良而导致错位。通过对侧架零件进行分析，利用CASTSOFT软件对侧架进行网格剖分及模拟计算，预测出六个大热节和四个分散小热节，并计算出各自凝固时间、预测出缺陷位置，在此基础上对铸件进行工艺设计，设计了冒口、冷铁和浇注系统，最大程度降低了缺陷，最终得到合理的铸造工艺，从而对侧架的生产提供了可靠的技术支撑，降低了实验耗费，是一种科学可靠的铸造工艺优化技术。

关键词：热节；缺陷；铸件；工艺设计

侧架的内腔连接筋较多，生产制造时容易受人为影响，常常因为对接不良而产生错位[1]。铸造工艺过程比较复杂，易于显现出来缺陷，利用微机模拟仿真，便可在熔炼浇注前对可能出现的缺陷位置和凝固持续时间进行计算，以便设计出最合适的工艺，以保证铸件的生产品质，缩短试验时间，为生产提供理论依据[2]。

1模拟计算前处理

1.1铸件分析

铸件外型尺寸为长2199.64mm，宽565.3mm，高419.8mm；体积为3.963×107mm3,毛坯质量为381kg。平均壁厚为25mm，内腔连接筋较多，材质为B级钢，多用于铁路机车车辆上，其凝固方式为中间凝固，实验性能不好，液相温度高，易形成集中缩孔热裂等铸造缺陷。此零件是对称的，为了加快仿真时间，模拟运算时，只取零件的一半。计算网格数目166万。

1.2边界条件及参数设置

边界条件以及相关参数的设置准确与否，直接影响金属液体和铸型等的换热，会导致热节计算、凝固进程以及缺陷预测偏差很大，经过多次试验、模拟，进行如下设置。凝固过程在液态金属未完全充满型腔时已经开始，对于快浇大中件的砂型铸造，t凝＞＞t浇，充型时间很短暂，不考虑充型对初始条件的影响，结果计算误差不大，由于侧架尺寸比较大，充型速度大，砂型的起始温度设定为室温（即20℃），铸件初始温度稍低于浇注温度为1580℃。设铸件与砂型之间的换热系数为1100W/m2,砂型表面与大气之间的换热系数为500W/m2。

2裸件凝固模拟及制定工艺

2.1凝固进程模拟及确定

热节边界条件设置好之后，进行无浇注系统和无冒口的裸件凝固计算。通过凝固计算预测出侧架各个部位的凝固时间，确定热节部位及预测各热节的凝固时间。从而使得铸件的浇冒口可以按照热节的温度、出现部位进行设计，参照热节的凝固时间设计，使得铸件按照顺序凝固进行[3]。通过凝固模拟计算得出铸件的整体凝固时间为381.76s，侧架左右两侧凹进去的部位凝固时间最长，为最后凝固部位，是第一热节；凹进去的侧旁的热节为倒数第二最后凝固的部位，凝固时间约为321s，为第二热节，第三热节凝固时间为303s，第四热节为243s，充型结束190.88s以内，没有明显的热节，确定了侧架的热节和凝固次序。

2.2缺陷预测及工艺制定

预测的缺陷主要在铸件的厚大部位[4]，尤其是中间顶部的肋板处，缺陷比较集中，根据缺陷预测的位置及凝固进程，制定了如下工艺方案。

（1）冒口。铸件中间上部两肋板交叉处壁最厚，液相结晶凝固最慢，分别设置冒口，尺寸为ф100mm×130mm。铸件中心空腔靠近第三热节的凸台，预测有缩孔，对称地在两凸台分别设计冒口，尺寸为ф85mm×90mm。铸件最长框架中间上部设计一冒口，尺寸为ф50mm×85mm，第一热节处，铸件两侧各设置一冒口，尺寸都为ф80.5mm×120.4mm，并设计了冒口颈。

（2）冷铁。第二热节处设计外冷铁，尺寸为ф16mm×50mm，两肋板交叉处下方设置一冷铁，尺寸为ф16mm×90mm，第四热节共四个位置设计四个冷铁，尺寸都为ф16mm×30mm。

（3）浇注系统。浇注位置从两侧导柱头浇注，分型面在零件竖直方向中间平面上；内浇口安放在两端，内浇口长宽高分别为34.7mm、25mm、40mm，从浇口杯流进钢液，设计为过桥浇注，一件一箱，直浇道直径为45.3mm、高424mm,为了缓冲液体流动速度，在直浇道正下方设计了一浇口窝，浇口窝由一个立方体块和一个半球组成，立方体块在半球上方，立方体块的长宽高尺寸分别为：71.8mm、71.8mm、40.5mm，半球的直径为71mm。

2.3有浇补系统的铸件模拟

计算凝固时间是1461.42s，与裸件的凝固时间381.76s相比，时间变为4倍，其原因是设置了浇补系统总质量增加，从凝固进程图中看出，冒口和浇注系统都比铸件热节凝固时间要晚，从而很好地补缩了铸件凝固过程中的收缩，裸件凝固预测的热节已经基本消除，最后凝固的部位都从裸件中的热节转移到浇冒系统中，表明铸造浇冒工艺设计是合理的[5]。

3预测缺陷与实物对比

比较实物纵剖面图和对应缺陷预测，可以发现此剖面内部型腔没有大缺陷，只是中间空腔上部有少许缩松，实物和预测情况基本吻合，表明上述工艺是切实可行的。

4结语

（1）通过反复试验，找到了合适的初始条件和边界条件相关参数，为准确预测热节、缺陷奠定了基础。

（2）通过不加浇冒系统的裸件凝固模拟，找出了各个热节、预测出各热节的凝固时间，并预测出铸件的缺陷大小和位置，从而为合理地设计浇冒系统提供了参考。

（3）参照各个热节以及缺陷大小和位置，设计出了合理的浇冒系统，进行电脑虚拟浇注后，发现热节和缺陷已经基本消除，并与实物缺陷相比较，结果计算机预测缺陷和实物缺陷基本吻合。

（4）电脑虚拟浇注为铸造实验的进行提供了科学的指导作用，可以降低试制时间、改进工艺及降低实验耗费，是一种科学可靠的铸造技术。

参考文献

[2]柳百城.铸造技术和计算机模拟发展趋势[J].铸造技术，2005（7）：611-616.

[3]中国机械工程学会铸造分会.铸造手册[M].北京：机械工业出版社，2004：46-82.

[4]王文清，李魁盛.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2002．

[5]李英民,崔宝侠.计算机在材料热加工领域中的应用[M].北京:机械工业出版社，2001.

[6]刘敬豪，凌云飞.支撑座一体侧架铸造工艺研究及实践[J].中国铸造装备与技术,2013(2).

作者：刘艳明；勾靖国；张安义 单位：山西大同大学