基于數值模擬的鏈輪鑄鋼件工藝設計

鏈輪是一項重要的機械部件，廣泛應用于船舶、礦山等機械。鏈輪的鑄造質量要求比較高,工作表面和鑄件內部不能有縮孔、縮松等鑄造缺陷。鑄件在粗加工前后需要用磁粉探傷進行缺陷檢查,可以探測到從外觀看不到的微觀缺陷。以前生產的鏈輪存在的缺陷較多,直接影響了生產及應用。對于缺陷的類型,以前沒有統一的定論,因為這些缺陷大多屬于微觀缺陷,發生在鑄件內部,難以確定是否為縮孔、縮松、成分偏析或是夾雜。用計算機模擬技術能很好地解決這個問題,不需要通過實際澆注就能對鑄造工藝進行驗證。結合模擬軟件對鏈輪的設計工藝進行模擬后確定缺陷的位置,經過對改進方案再次模擬,將模擬無缺陷的工藝應用于生產,大大縮短了鑄造工藝周期,提高了產品質量。1鏈輪內部小口徑結構鏈輪的材質為ZG30,最大直徑為625mm,高度為110mm,最薄壁厚為20.5mm,中心圓孔直徑為281mm,圓孔與齒之間分布有10個19.3mm的孔,共有14個齒,這些齒的結構特殊,對機械加工要求較高。生產出的鏈輪內部不能存有縮孔、縮松缺陷。鏈輪實體如圖1所示。2工藝方案2.1砂型鑄造砂型鏈輪為鑄鋼件,按照設計要求齒需要鑄出來,與以往的齒輪狀零件鑄造方法大不相同。鑄件質量為92kg,鏈輪最厚處為110mm,最薄處為20.5mm,屬于中、小型鑄件。此鏈輪的齒面不需要精加工,故精度要求不高,在此鏈輪的鑄造過程中,需要一個整體砂芯。本次設計中按照單件生產。結合上述的鑄造方法選擇原則和鑄件本身要求,選用砂型鑄造。此鏈輪的鑄造過程中,選用兩箱式,鑄件完全位于下箱,而且砂芯為整體砂芯,另外鏈輪的材質為鑄鋼件,所以選擇底注式半封閉澆注系統。2.2用短時短時澆注由于合金的熔點高,澆注溫度高,鋼液對砂型的熱作用大,且冷卻快,流動性差。所以要求用較短的時間進行澆注。鑄鋼體收縮大,易產生縮孔,需按順序凝固的原則設計澆注系統,并用冒口補縮熱節處。此外,鑄鋼件線收縮率約為鑄鐵的2倍,收縮時內應力大,產生熱裂、變形的傾向也大。故澆冒口的設置應盡量減小對鑄件收縮的阻礙。2.3防水決定3鏈輪值的模擬和優化3.1鑄造工藝網格剖分三維造型后輸出*.STL文件導入View-Cast軟件中進行網格剖分,輸入鑄造工藝參數。澆注溫度為1580℃,液相臨界溫度為1511.3℃,固相臨界溫度為1453.9℃,砂型與冷鐵初始溫度均設定為25℃。3.2方案模擬的缺陷分布根據以上所設定的條件和具體參數,應用View-Cast軟件對鑄件的凝固過程進行數值模擬。初始工藝方案模擬的缺陷分布情況如圖3所示,鏈輪齒的外圍凝固效果較好,鏈輪齒的工作部分沒有出現缺陷,缺陷集中在鏈輪齒的根部,呈圓周狀分布的小縮松和縮孔,分析這些缺陷的形狀和位置,發現缺陷產生的主要原因是冒口的補縮效果不好,冒口的高度較高,在補縮的過程中,由于補縮通道的斷開,造成冒口內的金屬液分開凝固。3.3凝固過程及改進方案的確定由于冒口的補縮能力不理想,而造成了圖3中的鑄造缺陷,適當降低冒口的高度會降低冒口內的補縮通道斷開的幾率。另外,增加暗冒口的數量,以提高冒口的補縮范圍,因此,改進方案將冒口數量設置為5個,高度降低為140mm,冒口直徑保持不變。圖4為工藝優化1的凝固過程,圖中深色部分表示未凝固的金屬液,透明的部分表示已經凝固的金屬液,凝固開始的第48s時刻,鑄件內充滿待凝固的金屬液;到達153s時,內澆道已經完全凝固,澆注系統已不能繼續對鑄件補充金屬液,鑄件內部要依靠冒口進行有效地補縮;在538s時刻,澆注系統已經完全凝固,鑄件內的金屬液仍然保持圓形聯通,互相可以進行補縮,至此,鑄件內保持著正的溫度梯度;當凝固過程進行到648s時,溫度繼續降低,鑄件絕大部分都已凝固,在內部出現了金屬液斷開現象,形成5塊孤立的液相區,分別位于5個冒口的下方,表明雖然出現了孤立液相區,但是孤立的液相區有金屬液的補縮,這會降低缺陷在孤立液相區產生的概率;凝固時間為788s時,孤立的液相區只出現在冒口的下方,且范圍在進一步縮小,說明降低冒口的高度起到了作用,到908s時,鑄件的凝固過程結束。工藝優化1的缺陷預測如圖5所示,初始方案冒口下部的缺陷已經轉移至冒口上方,冒口下方的缺陷消除,但在鏈輪的部分齒根處還是出現了缺陷,這些小缺陷與初始方案相比,數量少,范圍小,改進的方案起到了作用。從凝固順序研究改進方案,冒口最后凝固,有足夠的補縮能力,起到了改進的效果,冒口設計合理;從凝固結束的缺陷來看,鑄件齒根部還有少量的縮孔、縮松現象,為消除缺陷,考慮在底部添加冷鐵。3.4添加冷鐵的工藝改進設計中選用隔砂冷鐵,冷鐵工藝為間接外冷鐵同被激的冷鐵之間有10mm厚的砂層,安放5塊冷鐵。由于鏈輪的形狀和熱節的位置,故選用板狀冷鐵,冷鐵尺寸為長75mm×寬40mm×厚20mm。添加冷鐵后模擬結果如圖6所示,其凝固過程基本與工藝優化1相同,只是添加冷鐵后,冷鐵部位及周圍較快凝固,能進一步降低缺陷。從缺陷預測圖7可知,鑄件上還有幾處比較小的縮孔、縮松缺陷,證明冷鐵起到了激冷的作用,但該工藝仍未能完全消除缺陷,實現鑄造零缺陷。為此,對暗冒口使用保溫套,用來提高冒口補縮的持續能力。具體改進方案為:在冒口上加裝標準尺寸的保溫套。缺陷預測如圖8所示,可以發現,采用保溫暗冒口加冷鐵后,已無鑄造缺陷。4cast模擬分析及應用本設計是對鏈輪新型鑄造工藝的探究,經過方案的改進和計算機模擬,最終確定了一套鏈輪鑄造新工藝。將新工藝在投入到實際生產前,能進行模擬論證、工藝設計及其工藝優化。通過View-Cast模擬軟件對其進行模擬分析,確定最終工藝方案。最終工