基于UG与CAE的压力机底座铸造工艺设计与数值模拟 马俊;杨敏杰;郑瑞娜;许亚军;牛立斌
【摘 要】目的 通过对压力机底座的充型凝固过程进行数值模拟,预测其浇铸质量同时基于模拟结果提出相应的工艺改进措施.方法 使用UG与CAE软件对压力机底座铸造工艺进行三维建模和数值模拟分析.通过研究零件的结构特点,确定选取砂型手工铸造方法,并使用三箱造型,选取合适的分型面与浇铸位置.采用UG软件做出锻压机底座的三维模型和浇注系统设计,然后利用Anycasting软件进行充型模拟.对充型与凝固过程进行了整体的缺陷分析.结果 利用Anycasting模拟浇铸过程发现,在整个充型过程中,充型平稳,无卷气、夹渣、缩孔、缩松等缺陷的出现.结论 通过模拟结果确定了浇注系统和补缩系统设计合理,相应工艺设计合理,可以铸造出符合要求的压力机底座. 【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2017(009)002
【总页数】6页(P72-77)
【关键词】UG建模;工艺设计;数值模拟
民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定【作 者】马俊;杨敏杰;郑瑞娜;许亚军;牛立斌
【作者单位】西安科技大学,西安 710600;西安科技大学,西安 710600;西安科技大学,西安 710600;西安科技大学,西安 710600;西安科技大学,西安 710600
【正文语种】中 文
【中图分类】TG24
压力机是一种结构精巧的通用性压力机械，具有用途广泛、生产效率高等特点。压力机通过对金属坯件施加强大的压力，使金属发生塑性变形和断裂来加工成零件。国家发改委于2007年12月作出正式批复，同意中国第二重型机械集团公司建造压力为8万t的大型模锻压机，将是目前世界上最大的模锻压机。建成后我国大型飞机、船舶等国防军工及民用行业的航空、电力、石化、动力产品制造能力将大幅提升，并由此达到世界大型装备制造业最高水平。模座在压力机锻压生产中起着固定模具的重要作用，模座有矩形模具用模座和圆形模具模座，模具固定方式有顶丝紧固和锲铁紧固等。压力机底座的铸造质量将对压力机
的整体性能起到非常重要的影响。
1.1 压力机模型建立与特征分析
在UG环境下建立的压力机底座箱体三维模型见图1。铸件外形尺寸长为600 mm，宽为400 mm，高为440 mm，材质选为ZG40Cr，零件毛坯总质量达678.6 kg，除了一般的力学性能及表面质量要求外，铸件还需要有良好的承受压力的性能，这就要求在设计铸造工艺的过程中，保证铸件铸出良好的组织，以满足其使用性能的要求。整体分析该零件结构对称，但内部结构较复杂，同时铸件整体尺寸较大，属于中型零件。基于零件特点在设计铸造工艺的过程中，需要对铸件存在的结构复杂部位采取相应有效措施，以减少和消除铸造缺陷。 1.2 工艺初步设计
1.2.1 砂芯的造型方法与设计
压力机底座采用手工造型，单件造型。手工造型可减少很多工艺性设备，其特点为方便灵活。
造芯设计：由于该铸件上中下各层形状规则，所以拟采取三箱造型方法，使用砂型加实型混合成型，考虑到中箱的复杂程度远远高于上下箱，中空部分单独制成方块砂型，上下箱各设计为U型槽造型。
1）设计详情：选择造型时间短的硬树脂砂造型，先将底座中空架模样做成砂型，其次再进行中箱砂型的铸造，不仅加快速度而且砂型紧实程度大大提高；考虑到底座中空模型尺寸较大，内部砂芯难以承受此次的抗弯强度，在造型中箱砂型时，加入钢筋作为芯骨起支撑作用，防止了砂芯和砂型因为受到较大应力而损坏；上下中三箱各自单独造芯，可同时进行，也方便合箱。基于此零件结构特点，即中间较为复杂两端简单的实体结构，中箱单独成型，将型槽与砂芯单独制造，方便上下箱的制造。
2）三箱造型合箱流程：三箱造型下箱见图2a，制作中空框架砂型和U型槽砂，将U型槽砂芯与下平板泡沫模样组装好；中间核心部分的中芯造型见图2b，其中间边缘黄部分为中芯，骨芯隐藏于中芯中（未于图体现）；三箱造型中箱见图2c，下箱造型完毕后，安放中空型框架砂型，并开始中箱造型；上中下箱合箱见图2d，中箱造型完毕后安放平板模样，并开始上箱造型。
1.2.2 浇注系统与补缩系统设计
冗余链路由于压力机底座铸件尺寸较大，内部结构较复杂，根据产品的结构特点和要求，采用封闭式浇注系统，取εA内︰εA横︰εA直=1︰0.9︰1.1，同时封闭式浇注系统具有良好的挡渣能力，利于浇筑过程中金属液的填充。
由于该铸件壁厚较大，有较大的热节区，在浇铸完成后凝固过程中，热节区很容易出现凝固缺陷，如缩孔、缩松等。为了消除铸造缺陷，需要对铸件设计补缩系统，分析该铸件结构特点：其厚大部位为上下面，同时中间部位结构复杂，需要保证浇筑质量，因此结合该铸件特点采取圆形大冒口补缩铸件热节区，以消除铸件浇铸缺陷。
由于压力机底座体积庞大，薄厚差异悬殊，浇注发生缩松缩孔的部位难以预测，冒口位置也难以准确部署，故以下讨论通过Anycasting软件的模拟仿真准确定位铸造缺陷位置，改进铸造工艺，完善产品生产质量。
2.1 浇注时间的计算
根据文献[12—15]对于重型铸铁件，有效浇铸时间采用计算，其中sL为壁厚系数，与铸件淮北师范大学学报
的壁厚有关，因为工件铸壁比较厚，远超出了所给范围，壁厚系数难以确定，故采用文献[7—8]中的公式计算：
式中：t为铸件的有效浇铸时间；f为材质系数，球铁的数值在0.6～0.8之间，设计方案中取0.7；n为浇注系统组数或者浇包个数，设计方案中浇包个数为1；δ为主要壁厚；m为铸件质量，压力机底座的质量为678.6 kg。因为式(1)不含冒口的质量，所以采用出品率为78%，因而质量取529.31 kg，代入式(1)得t=29 s。
2.2 模拟参数的设定
利用Anycasting模拟软件的Anypre部分对铸件进行参数设计和网格划分。网格划分采取均匀网格划分的方法，总共网格数为524 368个；选择铸件材质为ZG40Cr；根据文献选择铸钢件浇注温度为1380 ℃；金属液浇注流速为45 cm/s。
3.1 充型过程
压力机底座的铸件冲型过程见图4，金属液通过浇注口进入直浇道，逐次通过稳流式横浇道后，从铸件底部开始充型，最先充满底层后不断上升，再经过复杂的内腔，最后充满整个
库克曲线铸件表面。整个充型过程比较平稳，金属液顺序充满所有型腔，没有发现流场漩涡、卷气等现象的出现。
3.2 凝固过程
3.2.1 温度场模拟
在金属液填充铸件型腔的过程中，金属液与砂型型壁不间断地发生热量的交换，从而导致温度不断变化。充型完成后，金属液的温度逐渐降低至室温。铸件充型完成后凝固过程中，在不同时间段的典型温度场分布见图5，不同时刻不同点的温度呈非均匀分布。在711 s发现冒口和铸件底部与整个铸件的温度差异大，颜比较深的部位都会是铸造缺陷的高发部位（见图5a）；12282.5 s时在铸件凝固的末期，铸件上有较大的凝固末期高温区，但与冒口的温度接近，所以该部位在凝固末期不会成为孤立的液相区，也就不会在此部位出现缩孔、缩松等缺陷（见图5d）。
3.2.2 凝固过程模拟
活性炭纤维凝固过程模拟计算结果见图6，不同颜代表不同的固化率。由图6明显看到，铸件从周围
向铸件中心逐渐凝固。在铸件凝固过程中，希望在凝固时实现铸件最后冒口凝固的顺序凝固过程，这样在最后凝固部位可能出现的铸造缺陷都会被冒口完全消除，达到浇注质量要求。分析铸件的凝固过程，整体上满足以上要求，冒口部位最后凝固。由图6g可知，在铸件中间部位浇口附近温度较高，内腔附近特别是靠近浇注口的一面凝固比较缓慢，这是由于浇注时铁水的不断冲刷而使得这些部位过热引起的。铁水在凝固过程中，铸件内部比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域会产生铸造热节，由于冷却凝固时间不等，铸件可能会产生缩松缩孔缺陷。
3.3 铸造残余熔体模数分析
残余熔体模数是残余熔体体积和残余熔体表面积的比。残余熔体模数基于孤立熔体预测缩松，残余熔体体积越大，说明孤立熔池区越大；表面积越小，说明熔体比较集中，更容易形成孤立熔池而产生缩松缺陷。通过分析铸件的残余熔体模数，分析铸件可能出现缩松的位置，从而通过改变工艺参数消除相应缺陷。
通过分析铸件整体残余熔体模数，发现在铸件中间热节部位和冒口补缩的热节部位，残余熔体模数较小；另外通过分析截面上热节部位的残余熔体模数，发现在冒口处存在残余熔
体模数较小的情况。在铸件凝固过程中如果残余熔体模数的值较小，说明此位置很容易出现孤立液相区，而在过多的孤立液相区部位很容易出现缩松缺陷，部位过大会出现缩孔。根据铸件残余熔体模数分析可以确定铸件整体残余熔体模数较大，在冒口位置残余熔体模数较小，这符合铸件顺序凝固的要求，说明补缩系统设计合理。
通过以上对充型过程及其温度场、凝固过程及其凝固时间的模拟分析，以及缩松缩孔的位置预测，考虑从以下2方面改进和优化压力机底座铸造工艺。
1）观察铸件充型过程，发现在充型过程中还是存在金属液流速过快，金属液对铸件型腔壁冲刷力较大的现象，针对这一情况将充型时金属液流速设置为25 cm/s。
2）在铸造生产中，冷铁用来改善凝固冷却条件，加速冷却速度，使得组织更加致密。该铸件外表面可以通过缩松缩孔模拟结果确定添加冷铁的位置；由于该铸件内部结构复杂，形成了很多孤立热节，容易产生缩松缩孔，而且由于孤立热节在铸件内部，难以设计合适的冷铁，只能采取在模拟得到的发生缩松缩孔的相对位置处放置覆砂冷铁的办法。
次生灾害1）对压力机底座进行铸造模拟计算，较为准确地把握了充型和凝固2个过程的温度场的变
化趋势，并直观模拟出了铸件缺陷大小和位置，从而为确定合理的铸造工艺方案提供依据。
2）为消除铸造缺陷，采取圆形冒口。针对工件复杂的内腔结构，对应模拟结果采取添加覆砂冷铁的方式控制该处壁厚悬殊部位的定向凝固和收缩，从而防止铸造缺陷的产生。合理控制化学成分确保铸件的内在质量。
3）通过以上工艺设计和工艺改进，同时通过浇注过程数值模拟，有效地实现了铸件浇注质量，缩短了工艺试验周期，节约了成本，提高了产品出品率。
【相关文献】
[1] 刘瑞玲, 范金辉. 铸造实用数据速查手册. 第2版[M].北京: 机械工业出版社, 2014. LIU Rui-ling, Fan Jin-hui. Practical Casting Data Handbook 2nd Edition[M]. Beijing: China Machine Press, 2014,
[2] 李晨希. 铸造工艺及工装设计[M]. 北京: 化学工业出版社, 2014. LI Chen-xi. Casting Process and Tooling Design[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2014.
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