支座凝固模拟及铸造工艺辅助设计

刘艳明，张江峰，张安义

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003；2.西安航空动力控制有限公司，陕西 西安 710077）

支座做为支撑结构在机械行业广泛使用，在铸造生产过程中往往要反复试验才能确定最佳工艺。利用模拟软件anycasting进行凝固模拟，确定出凝固进程，找出热节部位[1]，最终确定了合理的浇冒系统，从而缩短了工艺进程[2-3]。

1 支座结构分析

支座的材料为ZG70C r 29，其外形如图1所示，轮廓尺寸为160mm×100mm×135mm，平均壁厚18mm，最大壁厚20mm，属于中小型铸件；结构对称，形状比较简单，壁厚大体均匀，综合考虑各生产要素，选用成本较低的砂型铸造。

2 铸造凝固模拟辅助设计

2.1 铸件凝固模拟

对未做工艺的铸件进行凝固模拟，目的是为了预测热节和凝固顺序，为后续工艺设计提供指导。在Pro/E中绘制好三维零件图，设置合适的弦高并以STL的格式保存，导入到前处理模拟软件中，对铸件进行网格划分，网格步长2mm×2mm×2mm，总网格数为67.5万。铸型材料为呋喃树脂，铸型初始温度为25℃，由于铸钢流动性差，所以浇注温度不能太低，设定为1560℃，砂型与周围环境的换热系数为1450W/m，并设置好其他相关参数。随后进行求解后处理，可以直观地看到铸件的凝固过程，通过模拟预测出凝固进程，从而可以科学合理地设计浇冒系统。

图1 支座外形图

2.2 带浇注系统的凝固模拟

通过模拟发现两壁与底板的连接处凝固时间较晚，这是由于相互交叉比较厚大，散热速度比较慢，不能得到液态金属的有效补缩，可能会生成缩松、缩孔。为此采用底注式浇注，将内浇道与底板直接相连，使得底板的热节转移到浇注系统当中，对缩孔能起到一定的补缩作用。在底板上再设置一块冷铁，尺寸为30mm×30mm×10mm，以进一步加快散热，缩短凝固时间。底注式浇注时金属液流动平稳，对铸型冲击小，卷气和飞溅较小，也有利于提高铸件质量。支座的浇注系统设计如图2所示，两个内浇道，两个横浇道，两个直浇道，各浇道尺寸见表1。为了简化铸造工艺，铸件两侧的圆孔在铸造完毕后，用机加工的方法加工出来。将三维零件图以STL格式导入模拟软件，然后进行网格剖分，网格步长2mm×2mm×2mm，总网格数为70万。然后进行模拟计算，凝固模拟如图3所示。

图2 支座浇注系统设计图

表1 各浇道尺寸浇道 （mm）

图3 底注式浇注系统的凝固顺序

从铸件的凝固顺序图中可以看出，铸件两个浇道设置使得热量分布相对均匀，铸件最后凝固的部位为通孔的部位，可以看到此时该部位还未完全凝固，出现了一个孔状的熔融金属区域，原因是此处有加强肋，增加了壁厚，降低了散热速度，所以为最后凝固的部位，得不到其他区域的金属液补缩，可能会产生缩松、缩孔缺陷。为此在两侧各设置一个侧冒口，这样冒口的壁厚大于侧壁，侧壁基本不会出现热节，使得最后凝固部位转移到冒口中，凝固缺陷也转移在冒口中。

2.3 带有冒口的浇注系统的凝固模拟

两壁处各设置一个冒口，尺寸为高65mm，直径40mm.以防止产生缩孔缩松等铸造缺陷。侧壁两内侧各设置一内冷铁，尺寸为：30mm×25mm×10mm，以加快侧壁散热，缩短凝固时间，这样就使得侧壁先于冒口凝固，形成合理的凝固顺序和补缩通道[4-5]，设计如图4所示。

将设计了冒口的浇注系统的三维工艺图进行凝固模拟，发现整个铸件的凝固次序有了明显变化，侧壁凝固温度大大降低，最后凝固区域基本转移到冒口当中，表明铸造工艺设计是科学合理的。其凝固顺序见图5.

图4 浇冒口系统设计

图5 带冒口的浇注系统的凝固顺序

3 结 论

1）凝固模拟可以预测出凝固热节及最后凝固部位，从而为合理设计浇注系统、冒口提供了有力指导。

2）铸件凝固过程数值模拟可以在短时间内实现虚拟铸造凝固，能够直观地反应出铸件的整个凝固过程，大大降低了生产成本，缩短了工艺试制周期。

3）合理设计浇冒系统可以有效改变凝固顺序，将最后凝固的部位转移到冒口当中，提高产品合格率。

［1］程军.计算机在铸造中的应用［M］.北京：机械工业出版社，1993.

［2］柳百成，荆涛.铸造工程的模拟仿真与质量控制［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［3］黄列群，沈永化，潘杰.铸件凝固数值模拟的研究现状及发展趋势［J］.机电工程，1997（5）：56-58.

［4］王文清，李魁盛.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［5］Niyama.E A Method of Shrinkage Prediction and Its Application to Steel Casting Practice ［J］.AFS Intertion Casting Metals Journal，1982（9）：52-63.