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摘要：側(cè)架的內(nèi)部型腔連接筋較多，經(jīng)常由于對接不良而導(dǎo)致錯位。通過對側(cè)架零件進(jìn)行分析，利用CASTSOFT軟件對側(cè)架進(jìn)行網(wǎng)格剖分及模擬計(jì)算，預(yù)測出六個大熱節(jié)和四個分散小熱節(jié)，并計(jì)算出各自凝固時間、預(yù)測出缺陷位置，在此基礎(chǔ)上對鑄件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了冒口、冷鐵和澆注系統(tǒng)，最大程度降低了缺陷，最終得到合理的鑄造工藝，從而對側(cè)架的生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)支撐，降低了實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)，是一種科學(xué)可靠的鑄造工藝優(yōu)化技術(shù)。

關(guān)鍵詞：熱節(jié)；缺陷；鑄件；工藝設(shè)計(jì)

側(cè)架的內(nèi)腔連接筋較多，生產(chǎn)制造時容易受人為影響，常常因?yàn)閷硬涣级a(chǎn)生錯位[1]。鑄造工藝過程比較復(fù)雜，易于顯現(xiàn)出來缺陷，利用微機(jī)模擬仿真，便可在熔煉澆注前對可能出現(xiàn)的缺陷位置和凝固持續(xù)時間進(jìn)行計(jì)算，以便設(shè)計(jì)出最合適的工藝，以保證鑄件的生產(chǎn)品質(zhì)，縮短試驗(yàn)時間，為生產(chǎn)提供理論依據(jù)[2]。

1模擬計(jì)算前處理

1.1鑄件分析

鑄件外型尺寸為長2199.64mm，寬565.3mm，高419.8mm；體積為3.963×107mm3,毛坯質(zhì)量為381kg。平均壁厚為25mm，內(nèi)腔連接筋較多，材質(zhì)為B級鋼，多用于鐵路機(jī)車車輛上，其凝固方式為中間凝固，實(shí)驗(yàn)性能不好，液相溫度高，易形成集中縮孔熱裂等鑄造缺陷。此零件是對稱的，為了加快仿真時間，模擬運(yùn)算時，只取零件的一半。計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目166萬。

1.2邊界條件及參數(shù)設(shè)置

邊界條件以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置準(zhǔn)確與否，直接影響金屬液體和鑄型等的換熱，會導(dǎo)致熱節(jié)計(jì)算、凝固進(jìn)程以及缺陷預(yù)測偏差很大，經(jīng)過多次試驗(yàn)、模擬，進(jìn)行如下設(shè)置。凝固過程在液態(tài)金屬未完全充滿型腔時已經(jīng)開始，對于快澆大中件的砂型鑄造，t凝＞＞t澆，充型時間很短暫，不考慮充型對初始條件的影響，結(jié)果計(jì)算誤差不大，由于側(cè)架尺寸比較大，充型速度大，砂型的起始溫度設(shè)定為室溫（即20℃），鑄件初始溫度稍低于澆注溫度為1580℃。設(shè)鑄件與砂型之間的換熱系數(shù)為1100W/m2,砂型表面與大氣之間的換熱系數(shù)為500W/m2。

2裸件凝固模擬及制定工藝

2.1凝固進(jìn)程模擬及確定

熱節(jié)邊界條件設(shè)置好之后，進(jìn)行無澆注系統(tǒng)和無冒口的裸件凝固計(jì)算。通過凝固計(jì)算預(yù)測出側(cè)架各個部位的凝固時間，確定熱節(jié)部位及預(yù)測各熱節(jié)的凝固時間。從而使得鑄件的澆冒口可以按照熱節(jié)的溫度、出現(xiàn)部位進(jìn)行設(shè)計(jì)，參照熱節(jié)的凝固時間設(shè)計(jì)，使得鑄件按照順序凝固進(jìn)行[3]。通過凝固模擬計(jì)算得出鑄件的整體凝固時間為381.76s，側(cè)架左右兩側(cè)凹進(jìn)去的部位凝固時間最長，為最后凝固部位，是第一熱節(jié)；凹進(jìn)去的側(cè)旁的熱節(jié)為倒數(shù)第二最后凝固的部位，凝固時間約為321s，為第二熱節(jié)，第三熱節(jié)凝固時間為303s，第四熱節(jié)為243s，充型結(jié)束190.88s以內(nèi)，沒有明顯的熱節(jié)，確定了側(cè)架的熱節(jié)和凝固次序。

2.2缺陷預(yù)測及工藝制定

預(yù)測的缺陷主要在鑄件的厚大部位[4]，尤其是中間頂部的肋板處，缺陷比較集中，根據(jù)缺陷預(yù)測的位置及凝固進(jìn)程，制定了如下工藝方案。

（1）冒口。鑄件中間上部兩肋板交叉處壁最厚，液相結(jié)晶凝固最慢，分別設(shè)置冒口，尺寸為ф100mm×130mm。鑄件中心空腔靠近第三熱節(jié)的凸臺，預(yù)測有縮孔，對稱地在兩凸臺分別設(shè)計(jì)冒口，尺寸為ф85mm×90mm。鑄件最長框架中間上部設(shè)計(jì)一冒口，尺寸為ф50mm×85mm，第一熱節(jié)處，鑄件兩側(cè)各設(shè)置一冒口，尺寸都為ф80.5mm×120.4mm，并設(shè)計(jì)了冒口頸。

（2）冷鐵。第二熱節(jié)處設(shè)計(jì)外冷鐵，尺寸為ф16mm×50mm，兩肋板交叉處下方設(shè)置一冷鐵，尺寸為ф16mm×90mm，第四熱節(jié)共四個位置設(shè)計(jì)四個冷鐵，尺寸都為ф16mm×30mm。

（3）澆注系統(tǒng)。澆注位置從兩側(cè)導(dǎo)柱頭澆注，分型面在零件豎直方向中間平面上；內(nèi)澆口安放在兩端，內(nèi)澆口長寬高分別為34.7mm、25mm、40mm，從澆口杯流進(jìn)鋼液，設(shè)計(jì)為過橋澆注，一件一箱，直澆道直徑為45.3mm、高424mm,為了緩沖液體流動速度，在直澆道正下方設(shè)計(jì)了一澆口窩，澆口窩由一個立方體塊和一個半球組成，立方體塊在半球上方，立方體塊的長寬高尺寸分別為：71.8mm、71.8mm、40.5mm，半球的直徑為71mm。

2.3有澆補(bǔ)系統(tǒng)的鑄件模擬

計(jì)算凝固時間是1461.42s，與裸件的凝固時間381.76s相比，時間變?yōu)?倍，其原因是設(shè)置了澆補(bǔ)系統(tǒng)總質(zhì)量增加，從凝固進(jìn)程圖中看出，冒口和澆注系統(tǒng)都比鑄件熱節(jié)凝固時間要晚，從而很好地補(bǔ)縮了鑄件凝固過程中的收縮，裸件凝固預(yù)測的熱節(jié)已經(jīng)基本消除，最后凝固的部位都從裸件中的熱節(jié)轉(zhuǎn)移到澆冒系統(tǒng)中，表明鑄造澆冒工藝設(shè)計(jì)是合理的[5]。

3預(yù)測缺陷與實(shí)物對比

比較實(shí)物縱剖面圖和對應(yīng)缺陷預(yù)測，可以發(fā)現(xiàn)此剖面內(nèi)部型腔沒有大缺陷，只是中間空腔上部有少許縮松，實(shí)物和預(yù)測情況基本吻合，表明上述工藝是切實(shí)可行的。

4結(jié)語

（1）通過反復(fù)試驗(yàn)，找到了合適的初始條件和邊界條件相關(guān)參數(shù)，為準(zhǔn)確預(yù)測熱節(jié)、缺陷奠定了基礎(chǔ)。

（2）通過不加澆冒系統(tǒng)的裸件凝固模擬，找出了各個熱節(jié)、預(yù)測出各熱節(jié)的凝固時間，并預(yù)測出鑄件的缺陷大小和位置，從而為合理地設(shè)計(jì)澆冒系統(tǒng)提供了參考。

（3）參照各個熱節(jié)以及缺陷大小和位置，設(shè)計(jì)出了合理的澆冒系統(tǒng)，進(jìn)行電腦虛擬澆注后，發(fā)現(xiàn)熱節(jié)和缺陷已經(jīng)基本消除，并與實(shí)物缺陷相比較，結(jié)果計(jì)算機(jī)預(yù)測缺陷和實(shí)物缺陷基本吻合。

（4）電腦虛擬澆注為鑄造實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供了科學(xué)的指導(dǎo)作用，可以降低試制時間、改進(jìn)工藝及降低實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)，是一種科學(xué)可靠的鑄造技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[2]柳百城.鑄造技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬發(fā)展趨勢[J].鑄造技術(shù)，2005（7）：611-616.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：46-82.

[4]王文清，李魁盛.鑄造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

[5]李英民,崔寶俠.計(jì)算機(jī)在材料熱加工領(lǐng)域中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[6]劉敬豪，凌云飛.支撐座一體側(cè)架鑄造工藝研究及實(shí)踐[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2013(2).

作者：劉艷明；勾靖國；張安義 單位：山西大同大學(xué)