减速机壳体的铸造工艺及CAE模拟分析*

李松杰，周正寿，孙祥广

(江苏恒立液压股份有限公司常州铸造分公司，江苏常州213164)

减速机壳体的结构如图1所示，此零件为中大型质量承载件，结构外形比较简单，主要由两个大圆形法兰，通过一圈圆形内壁相贯连接，该结构特点是本零件在铸造工艺设计时的重点和难点。减速机壳体铸件重80 kg，主体壁厚40 mm，材料牌号为QT500-7。

图1 减速机壳体零件图

通过MAGMA模拟软件，我们可以初步了解铁水在铸型里的填充和凝固过程。判断整个充型过程的填充速度和是否存在紊流现象，并提出改善，得到最优化的铸造工艺方案[1-5]。通过MAGMA软件模拟后可以减少由于多次试制产生的经济成本，可通过模拟软件不断优化改善，提高产品开发速度[6]。本文通过MAGMA软件，模拟减速机壳体铸件设计过程，然后分析整个模拟过程。

1 铸造工艺分析及设计

减速机铸件壁厚较厚但均匀性较好，初步分析热节位于铸件两个法兰部位。通过MAGMA初步模拟分析证实出铸件的主要热节在上下两个法兰上。该铸件年需求量较大，通过对铸件材料、尺寸、精度及技术要求等综合分析，决定采用金属模。金属模造型差异较小，工艺稳定。

图2 减速机壳体零件的热节

考虑到铸件的热节分布(图2)，为了保证铸件没有缩松、缩孔等铸造缺陷，需要采用内置冒口置于上部热节处，由于底部热节距离冒口较远，需要采用增加冷铁的方式来增加冒口的补缩距离。综合考虑铸件的结构特点，壳体的上下两表面均为加工表面，为了便于造型的起模，砂芯的放置，浇注位置选择大平面在下，根据铸件的结构特点分析，为了减少砂芯的数目，可以将砂芯的制作分为两部分，一部分用于形成减速机壳体的内腔，一部分用于形成壳体连接臂的空腔。砂芯形状设计图如图3。

图3 减速机壳体零件的砂芯设计

选择开放式浇注系统，可以使得整个浇注过程比较平稳，可以通过浇注系统和过滤片进行挡渣。浇注中，浇注系统能充满，具有一定的挡渣能力；充型的平稳性及对型腔的冲刷力都优于封闭式，适合于各类球铸铁件。具体的工艺图如图4。

图4 减速体壳体工艺图

2 铸造工艺模拟分析

MAGMA模拟主要参数设置：金属液浇注温度为1410 ℃；潮模砂初始温度为30 ℃；浇注时间约为22 s；重力浇注，重力加速度9.8 m/s2，浇注完成后在砂箱中进行缓慢冷却。

2.1 充型过程模拟

首先通过三维软件绘制出工艺图，转为STL格式后导入模拟软件系统。首先，划分网格后，设计相关仿真实验参数，最后进行整个浇注过程。通过模拟可以看到铁水在减速机壳体铸造型腔内的流动轨迹、流动速度。通过速度和轨迹即浇注是否平稳来分析出此浇注系统是否符合实际生产要求。具体数据如图5。

通过图5整个充型过程可以看出，内浇口处进铁水速度平稳，且整个浇口冲满，没有多余型腔气体进入，铸件质量得到保证，整个浇注过程金属液面在两个型腔内同时平稳上升。

图5 铸造工艺充型过程模拟结果

2.2 凝固过程模拟

凝固是铁水充型完毕后，铁水开始降温、收缩的过程。通过模拟可见，铁水在整个铸造型腔内的凝固顺序，同时预测在凝固过程中产生的缩孔、缩松的位置和大小，铸件的热节，球数分布，基体分布等重要信息，为改进工艺、判断工艺的可行性提供科学的依据。图6描述的是壳体铸件最后凝固模拟的缩孔缩松。

从最后凝固模拟结果可以看出，铸件整体凝固较好，并从缩松的模拟结果来看，铸件不会产生缩孔，缩松情况详见图7。

3 结束语

通过MAGMA模拟得出减速机壳体初步铸造工艺，需采用双砂芯进行结构设计，并增加冒口和冷铁进行补缩，最后，利用MAGMA软件对充型和凝固过程进行模拟和分析。

图6 凝固过程模拟

图7 缩松模拟