大型行星架铸钢件浇注系统设计

李嘉倩 季德生 徐 超 龙秀慧

(滨州学院机电工程学院，山东256600)

浇注系统是砂型中引导钢液流入型腔的通道。在实际生产中经常因为浇注系统设计不合理，从而造成一系列的铸造缺陷，严重的会致使铸件直接报废，因此浇注系统的设计与铸件质量有着紧密的关联。

1 零件结构介绍

行星架选用ZG35CrMo材料，基本轮廓大小为1260 mm×1260 mm×647 mm。其结构整体对称，壁厚较为均匀，壁厚最厚处为91 mm，壁厚最薄处为44 mm，体积为0.619 m3，零件重量为1330.491 kg，零件模型采用CATIA建立，零件模型如图1所示。

图1 行星架三维模型Figure 1 3D model of planetary frame

选择铸件浇注位置，应结合铸件的凝固方式，并确保铸件完全充型。设计时，将铸件下法兰盘置于底部，保证钢液在型内上升平稳，避免上法兰盘表面及内部产生铸造缺陷。将铸件正放，法兰盘朝下，选用底注式方案，6个内浇口设置在下法兰盘，此外设置1个横浇道和1个直浇道。

2 浇注系统各组元结构设计

ZG35CrMo材料铸造性能较差，凝固收缩率大，易产生缩孔等缺陷[1]。大型铸钢件浇注温度高，钢液流动性较差，不利于铸件充型，所以需对模具、砂箱进行预热；钢水易氧化，需加大浇注速度。浇包采用塞杆包，挡渣能力较强，在此方案中，不主要考虑挡渣问题[2]，选用底注式、开放式浇注系统，单包单孔浇注的方案，其注孔选择直径为60 mm。

∑Ah∶∑As∶∑Aru∶∑Ag

=1∶(1.8～2.0)∶(1.8～2.0)∶(2.0～2.2)

式中，Ah=28.3 cm2，∑Ah=28.3 cm2，查表1得，q=90 kg/s。

表1 不同漏孔直径流量q平均值Table 1 Average flow q of different leakage diameter

2.1 浇注时间

t=GL/Nq

式中，q是平均浇注流量；GL是型内钢液重量，1897.431 kg；N是钢包内漏孔数量；t是浇注时间。

经计算得到t=21.08 s，并且在充型能力充足的情况下，经大量试验证明，本体浇注时间控制在30 s以内，铸件出现砂眼、气孔缺陷的几率非常小，大多数情况下不会出现砂眼、气孔缺陷[3]。故选择浇注时间t=21 s。

2.2 钢水上升速度校核

v=C/t

式中，v是钢液液面在型内上升速度；C是铸件在型腔内的高度，545 mm；t是浇注时间。

表2 钢液在型内允许的最小上升速度Table 2 The minimum allowable rise rateof molten steel in the mold

图2 横浇道Figure 2 Runner图3 内浇道Figure 3 Ingate

图4 方案一充型速度场与充型时间Figure 4 Filling velocity field and filling time for scheme 1

图5 方案二充型速度场与充型时间Figure 5 Filling velocity field and filling time for scheme 2

经计算得到v=25.95 mm/s，查表2得，最小上升速度v≥25 mm/s，故符合要求。

2.3 剩余压头校核

HM≥Ltanα(取α=7°，L=630 mm)

式中，HM是最小剩余压头；L是液态合金的流程；α是压力角。

经校核，剩余压头充足。

2.4 浇注系统各组元横截面积的确定

直浇道：∅95 mm；As=71 cm2，ΣAs=71 cm2。

横浇道：截面形状尺寸见图2，Aru=70 cm2，ΣAru=70 cm2。

内浇道：截面形状尺寸见图3，Ag=12 cm2，ΣAg=12×6=72 cm2。

最终各组元截面比为：

∑Ah∶∑As∶∑Aru∶∑Ag=1∶2.51∶2.47∶2.54

2.5 直浇道窝的设计

浇口窝直径是直浇道下端直径的1.4～2倍，高度为其2倍。本方案直浇道窝直径为1.4D=133 mm，高度为2D=190 mm。

综上所述，选择浇注时间t=21 s，直浇道横截面积∑As=71 cm2，横浇道横截面积∑Aru=70 cm2，内浇道横截面积∑Ag=72 cm2。

3 浇注系统各方案充型速度场分析

3.1 方案一

浇注系统方案一两侧对称浇注，从图4(e)的仿真结果得到，整个充型过程大概需要19.6 s，这与计算结果基本符合。从4(a)中看出靠近直浇道的内浇道出现过渡区不足的情况，且4(b)、(c)、(d)呈现出该处钢液流速较大，对砂芯的冲击较大，可能会引起夹砂等缺陷。

3.2 方案二

方案二，从图5(e)的仿真结果得到，整个充型过程需要19.7 s，这与计算结果基本符合。改变为单侧浇注后，相较于方案一充型过程更为平稳。由于内浇口正对砂芯以及内浇道布置离直浇道较近，仍可能出现方案一的缺陷。

3.3 方案三

从图6(e)的充型时间仿真结果得到，整个充型时间大概为21.1 s，这与计算结果基本符合。图中颜色相同部分的填充时间相同，铸件整体同种颜色呈现带状分布，说明采用底注式浇注系统，钢液在型腔内充型平稳且逐层充型[4]。从图中可以看出，在铸件充型过程中，钢液的流速约为0.426～0.850 m/s，金属液相遇，没有发生飞溅、

图6 方案三充型速度场与充型时间Figure 6 Filling velocity field and filling time for scheme 3

图7 浇注系统布置Figure 7 Gating system layout

卷气等现象[5]，整体充型效果较好。

综合三种浇注系统设计方案，最终选择方案三，横浇道单侧布置，内浇道单侧切向布置。其三维模型如图7所示。

4 结语

对浇注系统各组元结构进行设定，并用Procast仿真模拟分析了三种浇注方案，经过对比最终确定选用横浇道单侧布置，内浇道单侧切向布置，钢液在型腔内充型平稳且逐层充型，金属液相遇，没有发生飞溅、卷气等现象，整体充型效果较好。