ZG310 大型座体的铸造工艺设计及模拟优化

2021-10-02张杰

中国铸造装备与技术 2021年5期

张杰

（太原科技大学能源与材料工程学院，山西晋城 048011）

0 引言

在铸件的实际生产中，会有诸多缺陷产生[1]，因此铸造工艺方案设计及优化对铸件实际生产至关重要[2]。铸造工艺方案的优劣[3]，对产品品质会产生重要影响。

ZG310-570 座体零件的轮廓尺寸为：1160mm×1430mm×810mm，重量为2600kg，属大型件。零件总体结构较为复杂，铸造难度系数大，其中主体部位包含1 个长轴孔，2 个半孔，需要砂芯成形。底部为大平台，同时有4个加强筋薄壁结构。座体具有结构复杂，薄壁筋多等特点，在铸造成形过程中很容易出现欠铸、缩孔及缩松、变形和热裂等缺陷[4，5]，从而影响产品合格率。因此，应用数值模拟软件AnyCasting 仿真座体的温度场、铸造工艺，来降低缺陷出现的概率，从而提高铸件质量。

零件材料为ZG310-570，属铸造合金钢，该材料具有良好的力学性能，材料的可焊性好，易于机械加工等。其中Mn 元素能降低钢的共析温度，细化珠光体组织，并增加珠光体含量，提高钢的强度和耐磨性，但同时也降低钢的塑性。

根据机械部的标准《重型机械通用技术条件铸钢件JB/T 5000.6-2007》，其化学成分如表1。

表1 ZG310-570 化学成分 w/%

图1 为座体的3D 实物图，零件的最厚部位约为305mm，最小壁厚为50mm，最大孔径为ø410mm，最小孔径为ø32mm，铸件厚部容易出现热节部位，易产生缩松缩孔缺陷。

图1 座体的3D 模型图

1 零件结构特点分析

2 座体铸造工艺方案设计

2.1 浇注位置的确定

铸件的浇注位置是指铸件在铸型中浇注时的位置，因为座体是大型铸件，其在凝固过程中因收缩大，易产生缩松、缩孔缺陷；结合在选择浇注位置时要有利于铸件实现顺序凝固，有利于减少砂芯数量和加强冒口补缩作用的原则，综合考虑铸件的结构和材质特性，为力求金属液流平稳同时减少缩孔、缩松等缺陷的产生，故铸件采用开放式底注式浇注系统。

根据表2 中列出的铸件分型面位置，综合比较选择方案b 的位置为最终的分型面且浇注位置选择方案d，即造型时分型面选择方案b，浇注时采用方案d 立起来浇注。

表2 分型面位置优缺点对比

2.2 浇注位置的确定

铸钢的共有特点是熔点高、流动性差、收缩大、易氧化、有夹杂物，在铸造时要求浇注系统结构简单、截面积大，使充型快而平稳，流股不宜分散，有利于铸件的顺序凝固和冒口的补缩，不应阻碍铸件的收缩。绝大多数工厂使用保温性能好、阻渣能力强的底注包浇注，用底注包浇注时，浇注系统必须是开放式的，直浇道不被充满，保证钢液不会溢出浇道以外[6]。根据以上原则确定座体的浇注系统类型。

以包孔截面积为基准，参照下述浇口比确定浇注系统各组元截面积，ΣS包孔:ΣS直:ΣS横:ΣS内=1:（1.8～2）:（1.8～2）:（2.0～2.5），直浇道采用圆形截面，确定横浇道截面形状为圆形，大型铸钢件的内浇道多用圆形，其各自浇道的大小如图2。

图2 浇注系统各组元截面示意图

从而口并运用三次方程法计算冒口尺寸。为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放冷铁。

因此根据上述分析经过计算，设计了较合理的浇注系统方案，如图3 所示；采用底雨淋式的内浇道布置方式，在铸件底部布置了4 个内浇口，使用2 块冷铁。

图3 座体浇注系统3D 图

3 铸件工艺数值模拟

首先，根据计算结果在Pro/E 软件中绘出座体的3D 浇注模型，并输出中间文件，导入数值模拟软件中进行仿真模拟。预计划分可变网格的数量为1000 万，图4 为数值仿真有限元模型网格划分图。为了保证高温出炉、低温浇注的原则，座体铸造时的熔炼温度选择1620℃，浇注温度选择1560℃。浇注时间为72s，呋喃树脂砂和初始温度设定为25℃；模铸型的界面传热系数选择为500W/（m2·K）。参数设定好后，采用SOR 迭代法对铸件充型凝固过程进行数值模拟求解。