本文探討了對(duì)大型磨臺(tái)鑄鋼件的數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化相關(guān)研究。

　　磨臺(tái)是河南焦礦集團(tuán)為日本三菱公司生產(chǎn)的鑄件，其三維結(jié)構(gòu)和二維剖面示意圖如圖l所示，最大直徑2700mm，高1325mm、質(zhì)量13t，屬于單件小批量生產(chǎn)。磨臺(tái)的質(zhì)量要求高，工作表面和鑄件內(nèi)部不得有縮孔和縮松。鑄件在粗加工前后都要用磁粉探傷進(jìn)行缺陷檢查。在生產(chǎn)中為確保鑄件質(zhì)量采用保守的生產(chǎn)工藝.將磨臺(tái)圓筒壁四周凹陷處全部由機(jī)械加工獲得。從而導(dǎo)致生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高等問題。有關(guān)技術(shù)人員也曾做過工藝改進(jìn)嘗試。但由于此鑄件屬于單件小批量生產(chǎn)，且質(zhì)量較大，因此對(duì)新提出的鑄造工藝直接作生產(chǎn)驗(yàn)證成本太高。本文運(yùn)用ViewCast模擬軟件對(duì)磨臺(tái)凝固過程進(jìn)行了模擬計(jì)算分析。確定了缺陷的位置.并進(jìn)一步根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了磨臺(tái)的補(bǔ)縮系統(tǒng)，縮短了試制周期，降低了生產(chǎn)成本。

圖1 磨臺(tái)三維模型和二維剖面示意圖

　　1 模型的網(wǎng)格剖分及參數(shù)設(shè)定

　　對(duì)磨臺(tái)進(jìn)行實(shí)體造型后導(dǎo)入ViewCast中進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格剖分。鑄鋼的牌號(hào)為ZG270.500，其澆注溫度為1580℃，液相臨界溫度為1511.3℃，固相臨界溫度為1453.9℃。收縮率為5%，熱導(dǎo)率為35W/(m·K)，比熱容為489.9J/(kg-K)，澆注時(shí)間為60s，砂型選用樹脂砂，砂型初始溫度為25℃。

　　2 模擬結(jié)果與分析

　　凝固過程各階段凝固時(shí)間分布如圖2所示。其中深色顯示的部位表示鋼液仍處于液態(tài)或半固態(tài)，沒有完全凝固，淺灰色表示已經(jīng)完全凝固。由于鑄件各部分結(jié)構(gòu)尺寸相差很大.在凝固時(shí)間為4000S時(shí)，磨臺(tái)中、底部首先凝固，見圖2(b);在8000S時(shí)，磨臺(tái)中部完全凝固，見圖2(d)，在11500S時(shí)。磨臺(tái)上部圓臺(tái)結(jié)構(gòu)和磨臺(tái)筒壁下部的凝固出現(xiàn)了孤立的液相區(qū)，見圖2(e)，由于金屬液在凝固過程中的體收縮特性。這些區(qū)域在凝固后期必然要產(chǎn)生縮孔縮松等鑄造缺陷。

　　3 工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

　　3.1 磨臺(tái)的初步工藝設(shè)計(jì)

圖2 凝固過程的數(shù)值模擬結(jié)果

　　根據(jù)圖2的模擬結(jié)果并結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計(jì)方法刪。在磨臺(tái)的上部、中部、下部分別設(shè)置了冒口、補(bǔ)貼、冷鐵以消除鑄造缺陷。其三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。將三維模型導(dǎo)人ViewCast軟件后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分和參數(shù)設(shè)置，對(duì)鑄件的凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬(見圖4)。可以看出，t=1800s時(shí)，放冷鐵部位首先凝固，然后由磨臺(tái)中部向兩端區(qū)域依次凝固，由中間向兩端的凝固順序符合我們的設(shè)計(jì)思路，t=5300s時(shí)，上、下冒口開始對(duì)鑄件補(bǔ)縮，t=6000s時(shí)，磨臺(tái)下冒I=I頸處先于冒口凝固，下冒口的補(bǔ)縮通道斷開，導(dǎo)致補(bǔ)縮受阻。鑄件與下冒l(fā)=I頸連接處仍出現(xiàn)了孤立的液相區(qū).由于金屬液在凝固過程中的體收縮特性.這些區(qū)域在凝固后期必然要產(chǎn)生縮孔縮松等鑄造缺陷。

圖3 冒口、補(bǔ)貼、冷鐵的三維實(shí)體模型圖

圖4 原工藝凝固過程的數(shù)值模擬結(jié)果

　　3.2 工藝方案優(yōu)化

　　根據(jù)初步工藝模擬結(jié)果分析.決定在下端冒口頸處放置補(bǔ)貼并且增加冒口高度。其他結(jié)構(gòu)不變，優(yōu)化后方案如圖5所示。將三維模型導(dǎo)人ViewCast軟件后。對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分和參數(shù)設(shè)置，再次對(duì)鑄件的凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖6。可以看出。t=7500s時(shí)，磨臺(tái)下端處早于冒口頸處凝固.原來在鑄件與下冒口頸連接處出現(xiàn)的孤立的液相區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)移至冒口頸中，見圖6(d)、(e);t=17500s時(shí)，磨臺(tái)上部圓臺(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的孤立的液相區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)移至上冒口的下部。即鑄件上可能出現(xiàn)的縮孔、縮松等缺陷已經(jīng)消失，滿足了生產(chǎn)要求。因此優(yōu)化后的補(bǔ)縮系統(tǒng)工藝方案即是本次設(shè)計(jì)的最終方案。

圖5 優(yōu)化方案三維造型示意圖

圖6 優(yōu)化工藝凝固過程數(shù)值模擬結(jié)果

　　3.3 生產(chǎn)驗(yàn)證

　　將優(yōu)化后的補(bǔ)縮系統(tǒng)工藝方案運(yùn)用于生產(chǎn)后，最終獲得了合格的鑄件。

　　4 結(jié)論

　　(1)用ViewCast軟件對(duì)磨臺(tái)鑄鋼件的凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了凝固過程中各階段的凝固時(shí)間。可預(yù)測(cè)出在鑄件上可能產(chǎn)生缺陷的位置。

　　(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合理論分析計(jì)算。在磨臺(tái)各部位設(shè)置冒口、補(bǔ)貼和冷鐵，極大地減少磨臺(tái)上部和底部的縮孔縮松。

　　(3)在冒口頸處添加補(bǔ)貼和加高冒口高度，可有效消除磨臺(tái)下端法蘭盤處的縮孔縮松缺陷，并將其位置移向冒口頸處。