原铸造工艺生产的侧架铸件存在缩孔和缩松等缺陷 。 利用华铸 CAE模拟软件 ， 对铸造 工艺进行优化 。 实际生产的验证表明 ， 优化后铸件的成品率由 87%提高到了 88% 。关键词 ： 侧架 ； 铸造凝固模拟 ； 工艺优化作者简介 ：骆宏文 (1995-)， 男 ，硕 士生 ， 硏究方向为造型材 料 。 电话 ： 13720117455,E-mail: 1 4029700 1 7@ qq.com通讯作者 ：龙 威 ， 男 ， 讲师 。 E-mail:maillong 1982@ 126.com中图分类号 ： TG319.9；TG24文献标识码 ： A文章编号: 1001-4977(2020)07-0722-05收稿日期 ：2020-03-13收到初稿, 2020-04-14收到修订稿 。铸件凝固过程数值模拟是科学发展的前沿 ， 越来越多的铸造工程师采用各种计 算机凝固模拟软件对铸件凝固缺陷进行预测和工艺优化 W侧架是铁路货车转向架 的关键部件 ， 其产品的质量和可靠性直接关系到铁路运输的安全 “ 役随着运行速度 的提高和载重的增加 ， 对于侧架的生产制造过程和产品质量提出了更高的要求 ， 从 而保证产品的应用可靠性巾 。 因此 ， 要保证侧架具有足够的强度和抗疲劳性能 ， 必须 结合铸件的结构特点 ， 设计出合理的铸造工艺 ， 并且通过计算机凝固模拟软件对铸 件的铸造工艺不断优化 ， 尽可能地减少铸件的缩孔和缩松等缺陷 。1铸件结构特点与原工艺介绍侧架铸件三维几何实体如图 I所示 。 图 I中区域 A和区域 B是铸件关键受力部位 ， 生产出的铸件这两处是不允许有严重的缩松 、 缩孔 、 裂纹等铸造缺陷的产生 ， 采用 的验收标准是 TB/T 3012 —2016 。 所以对该铸件进行铸造凝固模拟 ， 预测缺陷的产 生部位很有必要 。 为了消除铸件区域 A和 B部位缩孔缩松缺陷 ， 在铸件热节处设置了 冒口和一定数量的冷铁 ， 原工艺如图 2所示 。 其中 6和 8是冒口 ， 5 、 7 、 9 、 14 、 20 、 27 、 28 、 29 是¥各铁矿砂砂芯 ， 其余的是冷铁 。2铸造数值模拟的前处理2.1模型转换与网格剖分采用 UG软件绘制铸件三维实体 ， 并保存为 STL文件 ， 然后导入到华铸 CAE进行 前置处理 ， 利用华铸 CAE前置处理模块对侧架铸件进行网格剖分 。 本次剖分设置的 网格数目为 9 500 000个 ， 网格单元基本尺寸为 ： X方向为 2.5 mm, P方向为 2.5 mm, Z 方向为 2.5 mm。2.2初始条件及边界条件参数设置凝固模拟前还需对初始条件和边界条件参数进行设置 ， 设置的一些参数包括 ： 液相线温度 I 505 T ,固相线温度 I 415 T,浇注温度 I 570 °C ， 环境温度 20 °C, 铸件 与砂型的传热系数取为 820 W/ ( m2 - K),砂型外表面 (含明冒口顶面与浇口 )与大 气的传热系数取为 10W/ (m2 • K),铸件浇注时间 30 s。 运行参数采用系统默认值 。2020年第 7期 /第 69卷 铸钢 • 铸铁 foundry 话 i苦■方3侧架原工艺模拟过程及结果分析3.1充型过程及分析图 3是侧架充型过程中不同时刻金属液充填型腔的 模拟结果 。 从图 3d 中可知 ， 铸件的充型时间为 60.61 s, 液面上升速度较为合理 ， 且液面在上升过程中并未发 现钢液飞溅和旋涡现象 ， 这使得钢液氧化程度大大降 低 ， 说明采用底注式的浇注系统是合理的 。 之前的物 性参数设置浇注时间为 30 s指的是金属液充满铸件型腔 的 95%所需要的时间 ， 而实际上金属液充满整个铸件及 补缩系统 （ 包含浇冒口 ） 所需要的时间为 60.61 so3.2凝固结果及分析从图 4a中可以看出 ， 加了冒口和冷铁以及锯铁 矿砂砂芯之后 ， 铸件的缩孔得到了较好地解决 ， 但是 缩松缺陷依旧存在 ， 需要通过工艺进一步改进 。 图 4b 为铸件原工艺的纯凝固温度分布图 ， 从图中可以了解 到 ， 铸件热节部位冷却速度较慢 ， 温度较高 ， 极其容 易出现缩孔和缩松等缺陷 。 由于区域 1和区域 2 （ 即区 域 A ） 是铸件的重要部位 ， 而这两处属于铸件热节部 位 ， 温度较高 ， 冷却速度较慢 ， 预测此处会产生大量 的缩孔和缩松缺陷 ， 可以通过增设边冒口的方式来解 决这两处区域的铸造凝固缺陷 。4工艺优化与分析4.1冒口的合理增设通过对原工艺的模拟结果分析 ， 发现区域 A还是存在少量缩孔和缩松 ， 采用增设边冒口的方式来消除 铸件区域 A仍然存在的缺陷 。 采用的边冒口均为发热冒 口 ， 冒口直径为 1 00 mm,高为 130 mm。 改进工艺三维 模型如图 5所示 。 为了表示清楚铸件的工艺 ， 因此将铸 件的上半部分隐藏 。 图 5中 I和 2为边冒口 ， 3至 8为锯铁 矿砂砂芯 。 将其全部导出为 STL文件 ， 然后将 STL文件 导入到华铸 CAE前置处理中 ， 通过剖分网格 ， 物性参 数设置和计算分析 ， 得到的凝固模拟缺陷分布如图 6a 所示 。 图中区域 I部分为铸件缩孔存在的部位 ， 区域 2图 I侧架铸件Fig. 1 Side frame casting(c ) 35.26 s图 3金属液充型过程Fig. 3 Filling process of metal liquid(d ) 60.61 sIt^iB FOUNDRY 铸钢 • 铸铁 Vol.69 No.7 2020部分为铸件缩松存在的部位 。 温度分布如图 6b所示 。从图 6a中可以看出 ， 加了边冒口之后对铸件 A区 域的缺陷有了明显的改善 。 由于加的边冒口是保温冒 口 ， 能够持续发热 ， 所以边冒口附近的区域温度较 高 ， 能够持续地对铸件进行补缩 ， 消除了铸件的缩孔 和缩松缺陷 ， 但是对于区域 B,由于铸件的结构复杂 性 ， 此处热节完全由冷铁和锯铁矿砂砂型进行激冷是 不够的 ， 所以在后续的工艺改进中 ， 需要考虑增加外 冷铁或改变外冷铁位置的方式来减少区域 B的缩松缺 陷 。 从图 6b中可以看出 ， 铸件两端冷得较快 ， 而铸件 冒口附近的区域温度较高 ， 因此预测温度较高的区域 会依然存在缩孔和缩松缺陷 。4.2冷铁的第一次改进通过增加边冒口来减少铸件缩孔缩松缺陷是很 好的办法 ， 但是仅仅通过增加边冒口的方式来减少铸 件的缩孔和缩松缺陷是不够的 ， 所以还需要通过增加 — 些外冷铁来延长冒口补缩距离 ， 对铸件产生激冷作 用 ， 使得铸件的缺陷更进一步减少 。 冷铁的第一次改 进如图 7所示 。图 7a中 1, 2, 3, 4是在原来的基础之上新增加的 冷铁 。 由于在加了边冒口之后这几处还是存在缩松缺 陷 ， 所以可以通过新增冷铁 1“ 、 2“ 、 3\ 4°来解决这几 处的缺陷 。 新增冷铁后的凝固模拟缺陷预测结果如图 7b所示 o(a)缺陷分布 (b)温度分布图 4铸件原工艺模拟Fig. 4 Simulation results of original casting process(a )隐藏前 (b )隐藏后图 5第一次改进铸造工艺图Fig. 5 First improvement on casting process(a)缺陷分布 (b)温度分布图 6第一次工艺改进后凝固模拟的缺陷分布与温度分布Fi 2. CRRC Yangtze Tongling Vehicle Co., Ltd., Tongling 244142, Anhui, China)Abstract:The side frame casting produced by the original casting process has shrinkage defects. CAE simulation software was used to optimize the casting process. The practical production shows that the finished product ratio of the casting is increased from 87% to 88% by using the optimized casting process.Key words:side frame; casting solidification simulation; process optimization(编辑 ： 潘继勇, pjy@fbundryworld.com )
铸造文库