基于数值模拟分析的导套铸造工艺优化

郭兆东，倪桂兰，高玉龙

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161005）

基于数值模拟分析的导套铸造工艺优化

郭兆东，倪桂兰，高玉龙

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔161005）

以压力机导套为例，基于凝固数值模拟分析，找出在铸件的内壁存在着大量的缩松易发区。根据模拟结果优化工艺，确定出导套最佳生产工艺符合同时凝固原则。得出改变内浇口及冷铁数量，增加人工补贴是消除导套缩松的有效措施。证明数值模拟技术是一种很好的铸造工艺优化工具。

模拟；缩松；同时凝固

导套在压力机中是配合导柱一起使用的，带动滑块做往复运动，从而完成作业加工任务，起着支撑保护的作用，如图1.导套的质量优劣很大程度上取决于铸造工艺的设计合理性，实际铸件生产中，它的内壁经常出现缩松，甚至裂纹，导致漏油，从而影响装机使用。本文以压力机导套为例，利用铸造模拟软件模拟铸件凝固过程，使工艺人员直观的对铸造缺陷产生的原因进行准确分析，将模拟结果与实际生产的铸件中存在的缺陷进行比较、分析，提出解决方案。

图1　机械压力机传动机构

1　铸件结构及工艺参数

导套为球墨铸铁件，毛坯质量为600 kg，湿型砂造型，树脂砂砂芯并刷涂石英粉涂料。外形尺寸为450mm×805 mm，平均壁厚为50 mm，壁厚较均匀，端部最薄处为12.5mm，有四处25mm厚加强筋，如图2.

图2　铸件结构

炉料配比为：回炉料30%+生铁30%+废钢40%+石墨、铜板、孕育剂、球化剂，浇注温度1420℃.生产中发现在铸件的上端敞口及内壁经常出现缩松缺陷，废品率较高。曾尝试通过加大加工余量予以降低，但效果不明显，反而增加了铸造成本。

2　模拟分析

缩松的形成是因为液态收缩和凝固收缩所形成的细小孔洞分散且得不到外部合金液的补充造成的[1]。在铸件中存在任何形态的缩松，都会由于减小受力面积，以及在缩松处产生应力集中现象，而使铸件的机械性能显著降低。缩松的存在，还降低铸件的气密性和物理化学性能，因此，必须设法防止。利用华铸CAE模拟软件，针对原有工艺，对该铸件进行凝固过程数值模拟。结果显示在铸件的内壁存在着大量的缩松易发区图3b）深色部分，而顶部厚大部位并未出现缩孔缩松，如图3，这与生产中铸件位置基本吻合。通过凝固过程中液相孤立区的观察、对比，初步怀疑加入的回炉料中含有的RE、Mg等球化元素，增大了铸件的轴向收缩倾向，割裂了补缩通道，但调整回炉料配比后该现象并未消失，可以判定在工艺手段上需要改进。

图3　模拟效果

3　方案优化

球铁铸件利用石墨化膨胀实现自身补缩时符合同时凝固原则，而壁厚均匀的铸件，倾向于同时凝固[2]。通过多个内浇口低温快浇，减小纵向温差，有利于同时凝固。另外，如果铸件的长度和高度大于冒口的有效补缩距离，可在铸件上加补贴，造成人为的补缩通道，以消除中间区段的轴线缩松。而且在铸件中间放置冷铁，造成人为末端区，可延长冒口的有效补缩距离，并且加速铸件某局部热节的冷却，实现同时凝固原则。因此，冒口、补贴和冷铁的综合运用，是消除缩松的有效措施。

基于上述理论，结合实际生产，针对易出现的缩松部位，采取一系列的改进措施。内壁加工余量由原来的8mm增加到10mm；型腔全部改为树脂砂结构，提高铸型刚度；炉衬、浇注工具必须充分烘干；孕育剂、球化剂应烘烤后冲入法加入；涂料刷涂均匀，并增加内浇口2道；冒口尺寸由20mm×40mm加大为30mm×50mm；内壁随型石墨冷铁数量增多，以提高铸铁件的冷却速度；根据“高温出炉、低温浇注”原则，浇注温度降为1 350℃，快速浇入。利用模拟软件再次模拟凝固过程发现，内壁易产生缩松部位有了很大改善，如图4b），深色部位为易产生缩松位置。

图4　优化工艺效果

4　结束语

采用软件模拟导套凝固过程的结果表明，模拟软件能有效地预测优化方案后对缺陷位置的影响。通过对工艺进行合理的局部改进后，在实际生产中选择最佳的改进方案，能够得到质量合格的铸件。可以看出，铸件的模拟仿真是一种有效的铸造工艺设计和优化工具，提高工艺出品率，缩短试制周期，这应该是改造传统铸造业的必由之路。

［1］蔺亚琳，李志翔，曹菊艳.浅析球墨铸铁件缺陷产生原因及防止措施［J］.铸造，2010，59（6）：591-593.

［2］安阁英.铸件形成理论［M］.北京：机械工业出版社，1989：218-220.

Casting Process Optim ization of Guide Sleeve Based on Num erical Simu lation Analysis

GUO Zhao-dong，NIGui-lan，GAO Yu-long
（Qiqihar Second Machine Tool CO.LTD.，Qiqihar Heilongjiang 161005，China）

This paper takes the punchingmachine guide sleeve as an example，basing on the numerical simulation analysis of solidification to find the shrinkage porosity susceptible area in the casting inwall.According to the results of simulation optimization technique，the optimal production technology of guide sleeve consistents with the simultaneous solidification principle.Changing the gating and cold iron quantity and increasing pads are the effective measures to eliminate guide sleeve shrinkage.The technology of numerical simulation analysis is proved a good optimization tool in the casting process.

simulation，shrinkage porosity，solidification

TG24

B

1674-6694（2015）04-0013-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.006

2015-03-28

郭兆东（1980-），男，硕士研究生，工程师，主要从事铸造专业基础理论研究及工艺图纸的编制。