基于CAE的轴承座铸件熔模铸造工艺改进

李世嘉，庞尔楠

（山西机电职业技术学院，山西长治 046011）

当前铸造过程计算机数值模拟技术已经在铸造生产中得到广泛应用，该技术的应用对提升传统铸造产业起到了很大的作用。通过计算机模拟生产，动态的显示了铸件生产充型和凝固的全过程，从而可以预测铸件缺陷、优化铸造工艺和提高产品质量[1-3]。本文利用华铸CAE软件，以某企业典型熔模铸件的工艺改进过程为实例，介绍了CAE模拟软件在产品工艺改进过程中的应用。

1 铸件结构及工艺特点分析

某厂生产的出口轴承座铸件，轮廓尺寸：260 mm×150 mm×150 mm，平均壁厚15 mm，单件质量约为7.1 kg，其结构如图1所示。该铸件整体壁厚相差不大，但铸件结构比较复杂。在铸件A部位要沿箭头方向机械加工注油孔，润滑油由此孔注到铸件内部储油位置B，为了避免漏油等问题，铸件在此位置不得有缩孔和裂纹等缺陷，铸件100%要进行X光检查。铸件尺寸精度要求较高，铸件尺寸公差要求按GB6414-86的CT6验收。

图1 轴承座铸件

初步分析铸件结构，发现铸件多处型壁相交部位存在热节，主要比较集中的热节部位见图2所示C、D两个部位和本方案浇口部位，这几个热节部位分散，相互孤立。对于熔模小型铸钢件，为了保证铸件热节处不产生缩孔或缩松缺陷，热节处一般通过设置浇口来补缩，原则上有几个热节则需开设几个内浇口（一般不设置冒口）[4]。针对本铸件原来采用了如图2所示的浇冒口设计方案[5]，铸件内浇口开设位置见图2.

图2 铸件原工艺方案1

2 模拟过程及结果分析

2.1 网格剖分及主要工艺参数

采用华铸CAE纯凝固传热计算进行工艺优化，基于“瞬间充型，初温均布”的假设[6]。

计算分析之前，首先要对铸件及浇冒口系统进行网格剖分。采用均匀网格剖分，原工艺方案1设定网格大小3 mm，网格总数为1217216.改进工艺方案2设定网格大小2.5 mm，网格总数为2146560.

主要工艺参数：

1）零件材料：美国一般工程用钢ASTMA27450-240，对应于国内钢铁材料为ZG230-450：液相线温度：1516℃，固相线温度：1400℃；

2）型壳材料：水玻璃涂料+石英砂，共6层，型壳厚度8 mm；

3）硬化剂：氯化铵溶液；

4）工艺参数：出炉温度：1600℃～1620℃，浇注温度：1530℃～1550℃，浇注时间：16 s～18 s，工艺出品率：46%；

5）型壳温度：700 ℃.

2.2 原工艺方案1模拟结果及分析

从图3b）（图中浅色实体显示为液相区，线框轮廓显示为铸件及浇注系统）可以看到，铸件在凝固时间t=149.48 s时，箭头指示铸件区域就有孤立液相产生，这正是图2所示铸件C、D位置。该部位最终产生缩孔（松）缺陷的可能性很大。如图4所示为铸件的最终缩孔缩松分布（图中浅色实体显示为缩松，深色实体显示为缩孔，线框轮廓显示为铸件及浇注系统），从图4可以看到，图3b）箭头指示区域上有缩孔、缩松缺陷产生。分析缺陷产生的原因是，铸件存在多个孤立分散的热节，浇注系统难以补缩远离内浇口的热节部位（图2所示铸件C、D位置），最终导致该热节部位产生缩孔、缩松缺陷。

图3 原工艺方案1凝固模拟结果

图4 原工艺方案1缩孔缩松分布

2.3 改进的工艺方案2模拟结果及分析

利用华铸CAE软件进行了多种方案的尝试，综合考虑铸件本身结构、铸件工艺出品率和实际生产过程的可操作性等因素，但结果都不尽如人意，主要问题是，在不增设太多内浇口或冒口的前提下，如何保证铸件热节处补缩顺畅。后来通过和客户沟通，在不影响铸件使用性能的前提下，改变铸件的结构，如图5将铸件图示E部位3个凹槽深度逐渐变浅，离内浇口最近的凹槽深度最浅，离内浇口最远的凹槽深度最深；也就是使铸件离内浇口最近的部位壁厚最大，离铸件内浇口渐远的部位壁厚逐渐减薄，铸件远离内浇口的C、D部位与内浇口之间的补缩通道变得顺畅，铸件凝固过程遵循顺序凝固的原则。改进后的铸件结构如图5a）所示，与原来铸件结构的不同之处从图5可以清晰地看到。

图5 改进后的铸件和原铸件结构比较

图6 （图中浅色实体显示为液相区，线框轮廓显示为已凝固的铸件及浇注系统）是改变铸件结构后的凝固模拟结果，可以看到铸件凝固过程自始至终没有看到孤立液相区，铸件远离内浇道的C、D部位得到了充足的补缩，铸件的凝固过程满足顺序凝固的原则。改进后方案的缩孔缩松分布如图7所示（图中浅色实体显示为缩松，深色实体显示为缩孔，线框轮廓显示为铸件及浇注系统），从图7可以看到，相比前一种方案，铸件本体缩松体积明显减少，缩孔全部消失，缩孔全部转移到浇注系统上，故此工艺方案可行。

图6 改进后的工艺方案2凝固模拟过程

3 生产验证

按改进后的工艺方案2组装好的蜡模组树如图8所示，每个蜡模组焊两个铸件。实际生产的轴承座铸件如图9所示，经过铸件外观尺寸检查、磁粉探伤和X光检查项目的检查，铸件质量符合客户要求。

图7 改进后的工艺方案2缩孔缩松分布

图8 铸件蜡模组树

图9 实际生产铸件

4 结论

1）在综合考虑铸件结构性、实际生产的便利性和工艺出品率等因素，在不改变工艺方案的情况下，通过改变铸件结构，优化了铸造工艺方案。

2）应用CAE软件对轴承座铸件工艺方案进行凝固过程模拟，根据模拟结果，最终确定工艺方案。利用CAE进行熔模铸造工艺辅助设计，既节约工艺开发时间，又节省生产成本。按此方案在实际生产中获得了满足客户要求的合格铸件。

［1］周建新，刘瑞祥，陈立亮，等.铸造CAE技术在熔模铸造中的应用［J］.中国铸造装备与技术，2004（4）：18-20.

［2］卢永祥，师素粉.基于ProCAST的熔模铸造工艺改进［J］.铸造技术，2011（4）：590-593.

［3］杨世洲，陈攀.华铸CAE软件在熔模铸造中的应用［J］.西华大学学报（自然科学版），2010（10）：75-78.

［4］许云祥.设计合理的浇注方案以保证充填和补缩［J］.特种铸造及有色合金，2003（4）:50-54.

［5］柳百成，黄天佑.中国材料工程大典:材料铸造成形工程［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［6］华中科技大学.华铸CAE用户手册［M］.武汉：华中科技大学出版社，2009.