横梁铸造工艺设计及模拟分析

谢翔　李大法　张姚

摘 要：本文基于大学生铸造工艺设计大赛对大型横梁作品进行工艺设计与数值模拟分析。运用三维建模软件对产品实体和浇注系统进行建模分析，再运用JSCAST仿真模拟软件对设计的方案进行模拟计算，分析模拟结果的充填过程、凝固过程、温度分布及缺陷类型和分布，并在此基础上对铸造工艺进行优化。以此保证铸件重要工作面的加工精度和良品率，提高生产效率，改善铸件的内在质量和外观质量，节省原材料和能源，降低成本与减少工艺中的污染。

关键词：横梁；树脂砂；数值模拟；铸造工艺

本次铸造工艺为横梁的铸造工艺，横梁的材质为ZG20Mn，一般用于大型机床车床。考虑到铸件的尺寸较大，通常采用手工造型生产，树脂砂造型，开放式顶注浇注。而铸钢的熔点高，过热度较小，凝固温度区间较宽，收缩性较大，且钢水流动性不好，在铸造过程中易产生应力集中、缩孔、缩松、变形、开裂等缺陷，大大降低铸件的力学性能。因此为了保证铸件的重要工作部位的工作要求，提高铸件质量，需合理添加冒口和冷铁，实现铸件的顺序凝固，消除铸件中的缺陷，保证铸件有较高的工艺良品率。本研究利用JSCAST仿真模拟软件对该大型横梁铸件的工艺进行数值模拟分析，以达到优化效果，降低成本，符合工厂生产中经济性要求。

1零件结构分析

1.1零件的形状和特点

铸件整体结构相对对称，内部为较复杂的空腔，质量5488Kg，长2700mm，宽1280mm，高585mm。该横梁属于大型机床的重要组成零件，其横梁导轨主要起车刀纵向进给导向以及支撑刀架台的作用，因此对横梁工作面的加工精度要求较高。为了保证铸件的重要工作部位的工作要求，最后把铸件的工作部位放在铸件下方，提高铸件质量。在需要机械加工的部位，铸件不应有激冷拐角或反白口，以防止铸件发生裂纹或钻孔困难。

1.2造型、造芯材料的选择

采用树脂自硬砂作为砂型和砂芯，因树脂砂重量轻、制造周期短、可不加工直接投用，且具有良好的流动性、易紧实、脱模时间可调节、硬化后强度高、在铸造过程中不易变形，并且树脂自硬砂刚度高，在浇注和凝固过程基本上无形变位移现象，因此呋喃树脂自硬砂工艺能使砂芯达到高的尺寸精度，同时树脂自硬砂不用烘干，缩短了生产周期，型砂易紧实，大幅降低了工人的劳动强度。

由于树脂砂具上述多方面优点，目前大多数铸造企业对于单件小批量生产的大型铸件，一般都采用树脂砂造型、制芯方式生产铸件。

2铸造工艺分析

本铸件为铸钢铸件，采用树脂砂手工造型，机械加工等级选G～K级，铸件尺寸公差按CT14级，铸件的基本尺寸为2790mm，确定尺寸公差的数值30mm。以标准样品的实称重量作为公称重量，依据所给公称重量5488kg，确定铸件重量公差数值为10%。铸造的线收缩率为1.5%～1.8%，最小壁厚为60mm，符合铸造要求。

肋的布置应尽量减小热节点，零件中四个加强肋采用四分布置，连接横梁中心壁与侧壁，有效地避免了缩松和裂纹，所以此处的加强肋符合铸造要求。

一般情况下，铸件壁的断面尺寸不可能完全相同。同时，铸件壁有类型各异的连接。因此，铸件各个壁的连接和过渡应该满足铸造工艺要求，即铸件壁的连接、过渡应该是平缓的。分析该铸件壁的连接过渡，均运用合理的圆角过渡，因此零件满足铸造工艺性要求。

3.浇注系统设计

浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道，主要由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四个部分组成。浇注系统设计的合理与否对铸件质量影响很大，大约30%的铸件废品是由于浇注系统设计不合理导致的。设计时应根据铸件的结构特点、合金种类、技术要求合理地设计浇注系统。各浇道横截面尺寸根据预定断面比ΣA直：ΣA横：ΣA内=1：1.13：1.27来计算设计，其中直浇道直径取60mm。各浇道示意图如图2。

4工艺优化及模拟分析

4.1工艺优化

根据已验证过的方案分析，铸件肋板导致在金属液凝固过程中产生了热节现象，通过对凝固时铸件温度场和凝固场的分析，可知这部分温度最高，凝固最缓慢最终形成了缩孔。因此根据实验分析在肋板处也就是热节区放置冷铁，经计算被激冷铸件几何模数M0=4.28cm，设计冷铁个数为8个，厚度均为42.8mm，分别布置在型腔内壁与外壁靠近肋板处。

4.2模拟结果与分析

4.2.1参数设定

采用SolidWorks三维建模软件将优化后的方案进行三维实体的绘制，并在SolidWorks中保存为STL格式，导入JSCAST中mesh部分进行网格刨分，为保证网格划分后铸件模型的精度，共划分4214524个网格。设定铸件的材质为SCH12、砂型的材料为Flattery-F1、冷铁的材料等参数，砂箱预热温度1400℃，澆注温度1450℃，浇铸时间为32.7s，设置浇道口，然后进行浇铸模拟计算。

4.2.2结果分析

从上图可知，金属液从浇口杯完全进入型腔总共需要32.7s，这和预先计算的结果大致相同。金属在重力作用下，由浇口杯通过直浇道、横浇道和内浇道进入型腔，液面自下而上逐渐升高，最终充满整个型腔。

由图4可知，通过凝固过程和温度场来分析冷铁发挥补缩的作用：

通过凝固过程，可知肋板四周的冷铁加速了中间部位的凝固，通过冷铁实现了使铸件有个自上而下的顺序凝固，保证了探伤部位铸件金属的致密性，同时也消除了铸件的缩松缩孔缺陷；同时，方案的工艺出品率较高，可以降低工厂的生产成本。

缺陷分析，缺陷分布如图5所示：

由上图可知，初步结果产生的缩松缩孔全部消失，同样对其它位置检查，均未出现缩松缩孔，即本工艺方案结果最终在X射线检测合格。最后通过安装冷铁消除了缩松缩孔，综合来看，该铸造方案合理。最终产品检测按标准操作：超声波探伤：JB/T 5000.14-1998 ，磁粉探伤按JB/T 5000.14-1998 3级。

参考文献：

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[4]刘晨，米国发等.横梁铸钢件砂 型铸造数值模拟及工艺优化[J].特种铸造及有色合金，2016（12）：1266-1269.

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