基于数值模拟软件的柱窝铸造工艺设计

栗怀锋

(山西潞安机械有限责任公司，山西 长治 046204)

液压支架是综采工作面的重要设备，其作用是支护顶板、推移工作面输送机和采煤机。而柱窝是液压支架上的重要零部件之一，立柱的上端是顶梁柱窝，通过焊接镶嵌在顶梁结构件内；立柱的下端是底座柱窝，通过焊接镶嵌在底座结构件内。当矿压比较明显时，柱窝承受巨大的压力和载荷，需要较高的铸造质量，不能有缩孔、缩松等缺陷[1]。

1 顶梁柱窝的轮廓尺寸及铸造工艺参数设定

图1是用UG软件绘制的前/后顶梁柱窝三维实体模型。前顶梁柱窝长445 mm、宽400 mm、高378 mm，重222 kg，见图1(a)；后顶梁柱窝长425 mm、宽400 mm、高343 mm，重200 kg，见图1(b)。材质为ZG27SiMn，热处理调质硬度为 240～280 HB。

图1 顶梁柱窝

实际生产中由于前、后顶梁柱窝配对使用，制作模具时为一箱两件。柱窝窝底及耳部为柱窝的关键部位，为保证其铸件质量放置于下型。前、后顶梁柱窝高度相差35 mm，由于上型设置冒口，结合柱窝结构特点，所以分型面确定为图2所示位置。

图2 铸造工艺三维模型

潞安机械公司采用转包浇注，由于转包没有挡渣能力，所以要求浇注系统要有较好的挡渣能力，常选用封闭式或半封闭式的浇注系统。其截面比为∑F内∶∑F横∶∑F直=1∶0.9∶1.2[2]。

根据铸件结构特点，采用直浇道1个，前、后顶梁柱窝共用1个横浇道，双侧2个内浇道进行浇注，各组员尺寸如图3所示。

图3 各组员截面尺寸(mm)

该顶梁柱窝为“王”字筋结构，“十”字及“T”字筋交叉处为热节部位。从结构特点考虑“十”字筋处放置冒口可保证“T”字筋处钢水补缩，故在两柱窝“十”字筋上各安放1个明顶冒口。冒口尺寸：根部直径D=160 mm，顶部直径D1=250 mm，高度310 mm。铸件出品率约为73%。

2 计算机模拟及结果分析

按图2所示把柱窝的三维模型图导入数值模拟软件中，进行169万数目的网格划分，同时设置数值模拟的相关参数， 在铸造方式中选择常规重力铸造，主要化学成分含量见表1，浇注温度1 550 ℃，环境的初始温度 25 ℃，浇注时间30 s[3]，然后进行凝固模拟分析。

表1 ZG27SiMn主要成分含量 (质量分数：%)

计算完毕后，选取4张凝固图片来分析全部的凝固过程，如图4所示。图中灰色部分代表液态，白色部分代表固态，黑色部分代表缩孔。t=1 000 s 时，从四周向中心部位凝固，见图4(a)；t=2 000 s 时，由于柱窝单一筋板部位较“T”字筋及“十”字筋部位薄，所以先凝固，剩余的液态部分组成一个连通区域，见图4(b)；t=3 000 s 时，“T”字筋、“十”字筋热节部位较厚所以此时仍为液态，见图4(c)；t=4 000 s 时，凝固结束，在“T”字筋及“十”字筋热节部位形成缩孔，见图4(d)。

图4 凝固过程中的数值模拟结果

由图4(d)得出，铸件凝固后期出现大量的枝晶并搭接成完整的骨架时，如果枝晶骨架被拉开的速度很慢得不到金属液的补充，铸件就会出现裂纹。并且在后续气割冒口、调质处理、焊接后等多重应力叠加后在窝底位置也加重了裂纹缺陷产生，见图5，“T”字筋及“十”字筋部位容易存在质量缺陷[4-5]，尤其是窝底处的“十”字筋关键部位。所以，需要重新调整凝固方式保证此部位质量。

图5 顶梁柱窝剖切后的缩孔及裂纹缺陷

3 工艺优化

“十”字筋热节部位在凝固后期由于冒口根部已经凝固，从而形成了孤立液相区，冒口内钢水不能有效补缩。如果通过增大冒口尺寸提高冒口补缩能力，则降低了铸件出品率，生产成本随之增加。

如果通过外冷铁工艺调整铸件凝固顺序，让“十”字筋热节部位先于冒口凝固，无疑是一种更好的选择。外冷铁类型和尺寸：方形直接外冷铁，长×宽=75 mm×75 mm，厚度25 mm。

在实际生产中，由于硅砂批次及浇注温度等因素不稳定，在窝底部位常常伴随着夹砂缺陷产生。通过在窝底处使用铬矿砂，不仅可以提高窝底表面质量，也可以对上部“十”字筋处热节起到激冷作用。调整后的铸造工艺见图6。

图6 工艺优化后的顶梁前柱窝模型(顶梁后柱窝同)

4 工艺优化后的模拟结果分析

按照图6所示把柱窝的三维模型图重新导入数值模拟软件中，进行凝固模拟分析，结果见图7。从图7可以明显看出“T”字及“十”字筋部位缩孔、缩松缺陷已经消除。

5 实际生产验证

为了验证数值模拟结果，现场进行了生产试制，后续对顶梁柱窝进行了超声波检测以及破坏性试验[6]，未发现质量缺陷，见图8。经支架压力试验后，没有出现任何质量问题。

图7 凝固结束后的效果

图8 使用铬矿砂后的柱窝窝底及剖切截面

6 结 语

1) 利用计算机数值模拟软件对柱窝铸造工艺进行数值模拟可快速、有效地判断铸件内部缺陷位置，并为下一步工艺方案优化提供理论参考。

2) 在不增加冒口尺寸的情况下，通过安放外冷铁调整凝固顺序，从而得到完整的内部组织，经过生产验证，柱窝质量达到设计要求。

3) 针对柱窝在砂型铸造中普遍存在的窝底结疤问题，使用铬矿砂可有效避免，同时可以对上部“十”字筋处热节起到激冷作用，使组织具有较高的致密性。